]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
Added documentation about integral class.
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @direntry
19 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
20 @end direntry
21
22 @ifinfo
23 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
24 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
25
26 Copyright (C) 1999-2004 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
27
28 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
29 this manual provided the copyright notice and this permission notice
30 are preserved on all copies.
31
32 @ignore
33 Permission is granted to process this file through TeX and print the
34 results, provided the printed document carries copying permission
35 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
36
37 @end ignore
38 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
39 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
40 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
41 notice identical to this one.
42 @end ifinfo
43
44 @finalout
45 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
46 @titlepage
47 @title GiNaC @value{VERSION}
48 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
49 @subtitle @value{UPDATED}
50 @author The GiNaC Group:
51 @author Christian Bauer, Alexander Frink, Richard Kreckel, Jens Vollinga
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2004 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
56 @sp 2
57 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
58 this manual provided the copyright notice and this permission notice
59 are preserved on all copies.
60
61 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
62 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
63 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
64 notice identical to this one.
65 @end titlepage
66
67 @page
68 @contents
69
70 @page
71
72
73 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
74 @c    node-name, next, previous, up
75 @top GiNaC
76
77 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
78 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
79
80 @menu
81 * Introduction::                 GiNaC's purpose.
82 * A Tour of GiNaC::              A quick tour of the library.
83 * Installation::                 How to install the package.
84 * Basic Concepts::               Description of fundamental classes.
85 * Methods and Functions::        Algorithms for symbolic manipulations.
86 * Extending GiNaC::              How to extend the library.
87 * A Comparison With Other CAS::  Compares GiNaC to traditional CAS.
88 * Internal Structures::          Description of some internal structures.
89 * Package Tools::                Configuring packages to work with GiNaC.
90 * Bibliography::
91 * Concept Index::
92 @end menu
93
94
95 @node Introduction, A Tour of GiNaC, Top, Top
96 @c    node-name, next, previous, up
97 @chapter Introduction
98 @cindex history of GiNaC
99
100 The motivation behind GiNaC derives from the observation that most
101 present day computer algebra systems (CAS) are linguistically and
102 semantically impoverished.  Although they are quite powerful tools for
103 learning math and solving particular problems they lack modern
104 linguistic structures that allow for the creation of large-scale
105 projects.  GiNaC is an attempt to overcome this situation by extending a
106 well established and standardized computer language (C++) by some
107 fundamental symbolic capabilities, thus allowing for integrated systems
108 that embed symbolic manipulations together with more established areas
109 of computer science (like computation-intense numeric applications,
110 graphical interfaces, etc.) under one roof.
111
112 The particular problem that led to the writing of the GiNaC framework is
113 still a very active field of research, namely the calculation of higher
114 order corrections to elementary particle interactions.  There,
115 theoretical physicists are interested in matching present day theories
116 against experiments taking place at particle accelerators.  The
117 computations involved are so complex they call for a combined symbolical
118 and numerical approach.  This turned out to be quite difficult to
119 accomplish with the present day CAS we have worked with so far and so we
120 tried to fill the gap by writing GiNaC.  But of course its applications
121 are in no way restricted to theoretical physics.
122
123 This tutorial is intended for the novice user who is new to GiNaC but
124 already has some background in C++ programming.  However, since a
125 hand-made documentation like this one is difficult to keep in sync with
126 the development, the actual documentation is inside the sources in the
127 form of comments.  That documentation may be parsed by one of the many
128 Javadoc-like documentation systems.  If you fail at generating it you
129 may access it from @uref{http://www.ginac.de/reference/, the GiNaC home
130 page}.  It is an invaluable resource not only for the advanced user who
131 wishes to extend the system (or chase bugs) but for everybody who wants
132 to comprehend the inner workings of GiNaC.  This little tutorial on the
133 other hand only covers the basic things that are unlikely to change in
134 the near future.
135
136 @section License
137 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
138 language is Copyright @copyright{} 1999-2004 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
154 MA 02111-1307, USA.
155
156
157 @node A Tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A Tour of GiNaC, A Tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package Tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A Tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
421 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
422 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
423 metric system is now easy:
424
425 @example
426 > in=.0254*m;
427 0.0254*m
428 > lb=.45359237*kg;
429 0.45359237*kg
430 > 200*lb/in^2;
431 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
432 @end example
433
434
435 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
436 @c    node-name, next, previous, up
437 @chapter Installation
438
439 @cindex CLN
440 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
441 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
442 installation.
443
444 @menu
445 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
446 * Configuration::                How to configure GiNaC.
447 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
448 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
449 @end menu
450
451
452 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
453 @c    node-name, next, previous, up
454 @section Prerequisites
455
456 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
457 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
458 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
459 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
460 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
461 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
462 process as well, since some of the source files are automatically
463 generated by Perl scripts.  Last but not least, Bruno Haible's library
464 CLN is extensively used and needs to be installed on your system.
465 Please get it either from @uref{ftp://ftp.santafe.edu/pub/gnu/}, from
466 @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/, GiNaC's FTP site} or
467 from @uref{ftp://ftp.ilog.fr/pub/Users/haible/gnu/, Bruno Haible's FTP
468 site} (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
469 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
470 it will refuse to continue.
471
472
473 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Configuration
476 @cindex configuration
477 @cindex Autoconf
478
479 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
480 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
481 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
482 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
483 prompts, all customization must be done either via command line
484 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
485 the complete set of which can be listed by calling it with the
486 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
487 described in what follows:
488
489 @itemize @bullet
490
491 @item
492 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
493 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
494 when developing because it considerably speeds up compilation.
495
496 @item
497 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
498 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
499 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
500 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
501 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
502
503 @item
504 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
505 the library installed in some other directory than
506 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
507
508 @item
509 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
510 to have the header files installed in some other directory than
511 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
512 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
513 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
514 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
515 keep the header files separated from others.  This avoids some
516 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
517 to be considered A Good Thing (tm).
518
519 @item
520 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
521 want to have the documentation installed in some other directory than
522 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
523
524 @end itemize
525
526 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
527 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
528 override the default in your path.  (The @command{configure} script
529 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
530 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
531 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
532 environment variable, like optimization, debugging information and
533 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
534 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
535 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
536 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
537 must generate @command{configure} along with the various
538 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
539 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
540
541 The whole process is illustrated in the following two
542 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
543 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
544 your login shell.)
545
546 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
547 everything is in default paths:
548
549 @example
550 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
551 $ ./configure
552 @end example
553
554 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
555 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
556 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
557 debugging information are switched on:
558
559 @example
560 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
561 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
562 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
563 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
564 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
565 @end example
566
567
568 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
569 @c    node-name, next, previous, up
570 @section Building GiNaC
571 @cindex building GiNaC
572
573 After proper configuration you should just build the whole
574 library by typing
575 @example
576 $ make
577 @end example
578 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
579 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
580 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
581 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
582
583 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
584 regression tests by typing
585
586 @example
587 $ make check
588 @end example
589
590 This will compile some sample programs, run them and check the output
591 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
592 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
593 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
594 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
595 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
596 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
597 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
598 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
599 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
600 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
601 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
602 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
603 to fiddle around with optimization.
604
605 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
606 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
607 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
608
609 @example
610 $ make html
611 $ make dvi
612 $ make ps
613 $ make pdf
614 @end example
615
616 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
617 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
618 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
619 @var{target} there in case something went wrong.
620
621
622 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
623 @c    node-name, next, previous, up
624 @section Installing GiNaC
625 @cindex installation
626
627 To install GiNaC on your system, simply type
628
629 @example
630 $ make install
631 @end example
632
633 As described in the section about configuration the files will be
634 installed in the following directories (the directories will be created
635 if they don't already exist):
636
637 @itemize @bullet
638
639 @item
640 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
641 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
642 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
643 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
644 will be established as well.
645
646 @item
647 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
648 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
649
650 @item
651 All documentation (info) will be stuffed into
652 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
653 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
654
655 @end itemize
656
657 For the sake of completeness we will list some other useful make
658 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
659 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
660 distclean} removes all files generated by the configuration and
661 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
662 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
663 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
664 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
665 work after you have called @command{make distclean} since the
666 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
667 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
668 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
669 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
670 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
671 do it by hand since you now know where all the files went during
672 installation.}.
673
674
675 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
676 @c    node-name, next, previous, up
677 @chapter Basic Concepts
678
679 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
680 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
681 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
682 meta-class for storing all mathematical objects.
683
684 @menu
685 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
686 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
687 * Error handling::               How the library reports errors.
688 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
689 * Symbols::                      Symbolic objects.
690 * Numbers::                      Numerical objects.
691 * Constants::                    Pre-defined constants.
692 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
693 * Lists::                        Lists of expressions.
694 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
695 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
696 * Integrals::                    Symbolic integrals.
697 * Matrices::                     Matrices.
698 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
699 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
700 * Hash Maps::                    A faster alternative to std::map<>.
701 @end menu
702
703
704 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic Concepts, Basic Concepts
705 @c    node-name, next, previous, up
706 @section Expressions
707 @cindex expression (class @code{ex})
708 @cindex @code{has()}
709
710 The most common class of objects a user deals with is the expression
711 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
712 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
713 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
714 little collection of valid expressions:
715
716 @example
717 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
718 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
719 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
720 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
721 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
722 @end example
723
724 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
725 contain other expressions thus creating a tree of expressions
726 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
727 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
728 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
729 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
730 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
731 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
732
733 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
734 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
735 @code{ex}.
736
737 @subsection Note: Expressions and STL containers
738
739 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
740 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
741 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
742 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
743
744 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
745 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
746 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
747 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
748 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
749
750 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
751 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
752
753 @xref{Information About Expressions}, for more about comparing and ordering
754 expressions.
755
756
757 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic Concepts
758 @c    node-name, next, previous, up
759 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
760 @cindex evaluation
761
762 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
763 them and put them into a canonical form. Some examples:
764
765 @example
766 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
767 ex MyEx2 = x - x;        // 0
768 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
769 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
770 @end example
771
772 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
773 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
774
775 @itemize @bullet
776 @item
777 at most of complexity
778 @tex
779 $O(n\log n)$
780 @end tex
781 @ifnottex
782 @math{O(n log n)}
783 @end ifnottex
784 @item
785 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
786 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
787 @end itemize
788
789 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
790 behave in an entirely obvious way at first glance:
791
792 @itemize
793 @item
794 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
795 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
796 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
797 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
798 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
799 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
800 canonical form.
801 @item
802 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
803 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
804 example
805 @example
806 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
807 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
808 @end example
809 @end itemize
810
811 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
812 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
813 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
814 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
815 some immediate simplifications.
816
817 @cindex @code{eval()}
818 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
819
820 @example
821 ex ex::eval(int level = 0) const;
822 ex basic::eval(int level = 0) const;
823 @end example
824
825 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
826 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
827 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
828 re-evaluate their results.
829
830
831 @node Error handling, The Class Hierarchy, Automatic evaluation, Basic Concepts
832 @c    node-name, next, previous, up
833 @section Error handling
834 @cindex exceptions
835 @cindex @code{pole_error} (class)
836
837 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
838 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
839 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
840 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
841 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
842 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
843 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
844 at a singularity.
845
846 The @code{pole_error} class has a member function
847
848 @example
849 int pole_error::degree() const;
850 @end example
851
852 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
853 logarithmic or the order is undefined).
854
855 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
856 the main program even if you don't want to do any special error handling.
857 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
858 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
859 usually only aborts the program without giving any information what went
860 wrong.
861
862 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
863 exceptions generated by GiNaC:
864
865 @example
866 #include <iostream>
867 #include <stdexcept>
868 #include <ginac/ginac.h>
869 using namespace std;
870 using namespace GiNaC;
871
872 int main()
873 @{
874     try @{
875         ...
876         // code using GiNaC
877         ...
878     @} catch (exception &p) @{
879         cerr << p.what() << endl;
880         return 1;
881     @}
882     return 0;
883 @}
884 @end example
885
886
887 @node The Class Hierarchy, Symbols, Error handling, Basic Concepts
888 @c    node-name, next, previous, up
889 @section The Class Hierarchy
890
891 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
892 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
893 helpers) are internally derived from one abstract base class called
894 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
895 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
896 containers of expressions and so on.
897
898 @cindex container
899 @cindex atom
900 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
901 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
902 some of the relations among the classes:
903
904 @image{classhierarchy}
905
906 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
907 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
908 duplication if two or more classes derived from them share certain
909 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
910 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
911 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
912 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
913 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
914 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
915 are stored in the different classes:
916
917 @cartouche
918 @multitable @columnfractions .22 .78
919 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
920 @item @code{constant} @tab Constants like 
921 @tex
922 $\pi$
923 @end tex
924 @ifnottex
925 @math{Pi}
926 @end ifnottex
927 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
928 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
929 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
930 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
931 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
932 @tex
933 $\sqrt{2}$
934 @end tex
935 @ifnottex
936 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
937 @end ifnottex
938 @dots{}
939 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
940 @item @code{function} @tab A symbolic function like
941 @tex
942 $\sin 2x$
943 @end tex
944 @ifnottex
945 @math{sin(2*x)}
946 @end ifnottex
947 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
948 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
949 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
950 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
951 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
952 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
953 @item @code{varidx} @tab Index with variance
954 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
955 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
956 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
957 @end multitable
958 @end cartouche
959
960
961 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
962 @c    node-name, next, previous, up
963 @section Symbols
964 @cindex @code{symbol} (class)
965 @cindex hierarchy of classes
966
967 @cindex atom
968 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
969 manipulation what atoms are for chemistry.
970
971 A typical symbol definition looks like this:
972 @example
973 symbol x("x");
974 @end example
975
976 This definition actually contains three very different things:
977 @itemize
978 @item a C++ variable named @code{x}
979 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
980   represents the symbol in a GiNaC expression
981 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
982   exclusively for printing expressions holding the symbol
983 @end itemize
984
985 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
986 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
987 throws them away during compilation.
988
989 It is possible to omit the symbol name in the definition:
990 @example
991 symbol x;
992 @end example
993
994 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
995 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
996 the output of your calculations will become more readable if you give your
997 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
998 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
999
1000 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1001 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1002 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1003 is unique for each newly created @code{symbol} object. In you want to use
1004 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1005 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1006 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1007 indeterminate.
1008
1009 Observe:
1010 @example
1011 ex f(int n)
1012 @{
1013     symbol x("x");
1014     return pow(x, n);
1015 @}
1016
1017 int main()
1018 @{
1019     symbol x("x");
1020     ex e = f(6);
1021
1022     cout << e << endl;
1023      // prints "x^6" which looks right, but...
1024
1025     cout << e.degree(x) << endl;
1026      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1027      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1028      // prints "0".
1029 @}
1030 @end example
1031
1032 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1033 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1034 @example
1035 ex f(int n, const ex & x)
1036 @{
1037     return pow(x, n);
1038 @}
1039
1040 int main()
1041 @{
1042     symbol x("x");
1043
1044     // Now, f() uses the same symbol.
1045     ex e = f(6, x);
1046
1047     cout << e.degree(x) << endl;
1048      // prints "6", as expected
1049 @}
1050 @end example
1051
1052 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1053 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1054 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1055 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1056 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1057 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1058 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1059 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1060 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1061 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1062 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1063
1064 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1065 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1066 like this one:
1067 @example
1068 const symbol & get_symbol(const string & s)
1069 @{
1070     static map<string, symbol> directory;
1071     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1072     if (i != directory.end())
1073         return i->second;
1074     else
1075         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1076 @}
1077 @end example
1078
1079 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1080 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1081 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1082 this:
1083 @example
1084 ex f(int n)
1085 @{
1086     return pow(get_symbol("x"), n);
1087 @}
1088
1089 int main()
1090 @{
1091     ex e = f(6);
1092
1093     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1094     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1095      // prints "6"
1096 @}
1097 @end example
1098
1099 Instead of creating symbols from strings we could also have
1100 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1101 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1102 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1103 @code{ostringstream}.
1104
1105 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1106 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1107 definitions.
1108
1109 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1110 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1111 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1112 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/Output}).
1113
1114 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1115 in LaTeX output:
1116 @example
1117 symbol x("x", "\\Box");
1118 @end example
1119
1120 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1121 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/Output}, for more
1122 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1123 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1124 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1125
1126 @cindex @code{subs()}
1127 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1128 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1129 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1130 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1131 (@pxref{Substituting Expressions}).
1132
1133 @cindex @code{realsymbol()}
1134 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1135 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1136 for example (@pxref{Complex Conjugation}), do @emph{not} evaluate if applied
1137 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1138 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1139 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real values, you
1140 would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC allows you to specify
1141 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1142 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1143
1144
1145 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
1146 @c    node-name, next, previous, up
1147 @section Numbers
1148 @cindex @code{numeric} (class)
1149
1150 @cindex GMP
1151 @cindex CLN
1152 @cindex rational
1153 @cindex fraction
1154 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1155 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1156 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1157 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1158 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1159 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1160 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1161 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1162 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1163 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1164 several useful things: First, it introduces the complex number field
1165 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1166 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1167 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1168 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1169 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1170 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1171 calculation of some useful constants.
1172
1173 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1174 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1175 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1176 integers, construction from C-float and construction from a string:
1177
1178 @example
1179 #include <iostream>
1180 #include <ginac/ginac.h>
1181 using namespace GiNaC;
1182
1183 int main()
1184 @{
1185     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1186     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1187     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1188     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1189     // Trott's constant in scientific notation:
1190     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1191     
1192     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1193     ...
1194 @end example
1195
1196 @cindex @code{I}
1197 @cindex complex numbers
1198 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1199 name @code{I}:
1200
1201 @example
1202     ...
1203     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1204     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1205 @}
1206 @end example
1207
1208 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1209 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1210 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1211 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1212 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1213 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1214 also.
1215
1216 @cindex @code{Digits}
1217 @cindex accuracy
1218 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1219 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1220 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1221 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1222 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1223 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1224 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1225 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1226 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1227 digits:
1228
1229 @example
1230 #include <iostream>
1231 #include <ginac/ginac.h>
1232 using namespace std;
1233 using namespace GiNaC;
1234
1235 void foo()
1236 @{
1237     numeric three(3.0), one(1.0);
1238     numeric x = one/three;
1239
1240     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1241     cout << x << endl;
1242     cout << Pi.evalf() << endl;
1243 @}
1244
1245 int main()
1246 @{
1247     foo();
1248     Digits = 60;
1249     foo();
1250     return 0;
1251 @}
1252 @end example
1253
1254 The above example prints the following output to screen:
1255
1256 @example
1257 in 17 digits:
1258 0.33333333333333333334
1259 3.1415926535897932385
1260 in 60 digits:
1261 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1262 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1263 @end example
1264
1265 @cindex rounding
1266 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1267 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1268 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1269 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1270 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1271 architectures with different word size, the above output might even
1272 differ with regard to actually computed digits.
1273
1274 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1275 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1276 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1277
1278 @subsection Tests on numbers
1279
1280 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1281 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1282 kind of information from them like asking whether that number is
1283 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1284 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1285 certain CLN functions.)
1286
1287 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1288 some multiple of its denominator and test what comes out:
1289
1290 @example
1291 #include <iostream>
1292 #include <ginac/ginac.h>
1293 using namespace std;
1294 using namespace GiNaC;
1295
1296 // some very important constants:
1297 const numeric twentyone(21);
1298 const numeric ten(10);
1299 const numeric five(5);
1300
1301 int main()
1302 @{
1303     numeric answer = twentyone;
1304
1305     answer /= five;
1306     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1307     answer *= ten;
1308     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1309 @}
1310 @end example
1311
1312 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1313 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1314 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1315 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1316 the result is automatically converted to a pure integer again.
1317 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1318 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1319 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1320 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1321 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1322 can be applied is listed in the following table.
1323
1324 @cartouche
1325 @multitable @columnfractions .30 .70
1326 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1327 @item @code{.is_zero()}
1328 @tab @dots{}equal to zero
1329 @item @code{.is_positive()}
1330 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1331 @item @code{.is_integer()}
1332 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1333 @item @code{.is_pos_integer()}
1334 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1335 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1336 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1337 @item @code{.is_even()}
1338 @tab @dots{}an even integer
1339 @item @code{.is_odd()}
1340 @tab @dots{}an odd integer
1341 @item @code{.is_prime()}
1342 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1343 @item @code{.is_rational()}
1344 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1345 @item @code{.is_real()}
1346 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1347 @item @code{.is_cinteger()}
1348 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1349 @item @code{.is_crational()}
1350 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1351 @end multitable
1352 @end cartouche
1353
1354 @subsection Numeric functions
1355
1356 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1357 evaluated immediately:
1358
1359 @cartouche
1360 @multitable @columnfractions .30 .70
1361 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1362 @item @code{inverse(z)}
1363 @tab returns @math{1/z}
1364 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1365 @item @code{pow(a, b)}
1366 @tab exponentiation @math{a^b}
1367 @item @code{abs(z)}
1368 @tab absolute value
1369 @item @code{real(z)}
1370 @tab real part
1371 @cindex @code{real()}
1372 @item @code{imag(z)}
1373 @tab imaginary part
1374 @cindex @code{imag()}
1375 @item @code{csgn(z)}
1376 @tab complex sign (returns an @code{int})
1377 @item @code{numer(z)}
1378 @tab numerator of rational or complex rational number
1379 @item @code{denom(z)}
1380 @tab denominator of rational or complex rational number
1381 @item @code{sqrt(z)}
1382 @tab square root
1383 @item @code{isqrt(n)}
1384 @tab integer square root
1385 @cindex @code{isqrt()}
1386 @item @code{sin(z)}
1387 @tab sine
1388 @item @code{cos(z)}
1389 @tab cosine
1390 @item @code{tan(z)}
1391 @tab tangent
1392 @item @code{asin(z)}
1393 @tab inverse sine
1394 @item @code{acos(z)}
1395 @tab inverse cosine
1396 @item @code{atan(z)}
1397 @tab inverse tangent
1398 @item @code{atan(y, x)}
1399 @tab inverse tangent with two arguments
1400 @item @code{sinh(z)}
1401 @tab hyperbolic sine
1402 @item @code{cosh(z)}
1403 @tab hyperbolic cosine
1404 @item @code{tanh(z)}
1405 @tab hyperbolic tangent
1406 @item @code{asinh(z)}
1407 @tab inverse hyperbolic sine
1408 @item @code{acosh(z)}
1409 @tab inverse hyperbolic cosine
1410 @item @code{atanh(z)}
1411 @tab inverse hyperbolic tangent
1412 @item @code{exp(z)}
1413 @tab exponential function
1414 @item @code{log(z)}
1415 @tab natural logarithm
1416 @item @code{Li2(z)}
1417 @tab dilogarithm
1418 @item @code{zeta(z)}
1419 @tab Riemann's zeta function
1420 @item @code{tgamma(z)}
1421 @tab gamma function
1422 @item @code{lgamma(z)}
1423 @tab logarithm of gamma function
1424 @item @code{psi(z)}
1425 @tab psi (digamma) function
1426 @item @code{psi(n, z)}
1427 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1428 @item @code{factorial(n)}
1429 @tab factorial function @math{n!}
1430 @item @code{doublefactorial(n)}
1431 @tab double factorial function @math{n!!}
1432 @cindex @code{doublefactorial()}
1433 @item @code{binomial(n, k)}
1434 @tab binomial coefficients
1435 @item @code{bernoulli(n)}
1436 @tab Bernoulli numbers
1437 @cindex @code{bernoulli()}
1438 @item @code{fibonacci(n)}
1439 @tab Fibonacci numbers
1440 @cindex @code{fibonacci()}
1441 @item @code{mod(a, b)}
1442 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1443 @cindex @code{mod()}
1444 @item @code{smod(a, b)}
1445 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
1446 @cindex @code{smod()}
1447 @item @code{irem(a, b)}
1448 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1449 @cindex @code{irem()}
1450 @item @code{irem(a, b, q)}
1451 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1452 @item @code{iquo(a, b)}
1453 @tab integer quotient
1454 @cindex @code{iquo()}
1455 @item @code{iquo(a, b, r)}
1456 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1457 @item @code{gcd(a, b)}
1458 @tab greatest common divisor
1459 @item @code{lcm(a, b)}
1460 @tab least common multiple
1461 @end multitable
1462 @end cartouche
1463
1464 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1465 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1466 as polynomial algorithms.
1467
1468 @subsection Converting numbers
1469
1470 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1471 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1472 class provides a couple of methods for this purpose:
1473
1474 @cindex @code{to_int()}
1475 @cindex @code{to_long()}
1476 @cindex @code{to_double()}
1477 @cindex @code{to_cl_N()}
1478 @example
1479 int numeric::to_int() const;
1480 long numeric::to_long() const;
1481 double numeric::to_double() const;
1482 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1483 @end example
1484
1485 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1486 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1487 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1488 rational number will return a floating-point approximation. Both
1489 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1490 part of complex numbers.
1491
1492
1493 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1494 @c    node-name, next, previous, up
1495 @section Constants
1496 @cindex @code{constant} (class)
1497
1498 @cindex @code{Pi}
1499 @cindex @code{Catalan}
1500 @cindex @code{Euler}
1501 @cindex @code{evalf()}
1502 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1503 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1504
1505 The predefined known constants are:
1506
1507 @cartouche
1508 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1509 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1510 @item @code{Pi}
1511 @tab Archimedes' constant
1512 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1513 @item @code{Catalan}
1514 @tab Catalan's constant
1515 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1516 @item @code{Euler}
1517 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1518 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1519 @end multitable
1520 @end cartouche
1521
1522
1523 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1524 @c    node-name, next, previous, up
1525 @section Sums, products and powers
1526 @cindex polynomial
1527 @cindex @code{add}
1528 @cindex @code{mul}
1529 @cindex @code{power}
1530
1531 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1532 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1533 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1534 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1535 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1536 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1537 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1538 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1539
1540 @example
1541     ...
1542     symbol a("a"), b("b");
1543     ex MyTerm = 1+a*b;
1544     ...
1545 @end example
1546
1547 @cindex @code{pow()}
1548 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1549 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1550 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1551 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1552 have several counterintuitive and undesired effects:
1553
1554 @itemize @bullet
1555 @item
1556 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1557 @item
1558 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1559 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1560 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1561 @item
1562 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1563 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1564 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1565 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1566 has requested @code{2^3}.)
1567 @end itemize
1568
1569 @cindex @command{ginsh}
1570 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1571 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1572 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1573 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1574 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1575 not exist at all in C++).
1576
1577 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1578 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1579 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1580 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1581 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1582 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1583 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1584 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1585 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1586 @code{x} negative.
1587
1588 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1589 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1590 and safe simplifications are carried out like transforming
1591 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1592
1593
1594 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1595 @c    node-name, next, previous, up
1596 @section Lists of expressions
1597 @cindex @code{lst} (class)
1598 @cindex lists
1599 @cindex @code{nops()}
1600 @cindex @code{op()}
1601 @cindex @code{append()}
1602 @cindex @code{prepend()}
1603 @cindex @code{remove_first()}
1604 @cindex @code{remove_last()}
1605 @cindex @code{remove_all()}
1606
1607 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1608 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1609 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1610 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1611 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1612
1613 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1614 expressions:
1615
1616 @example
1617 @{
1618     symbol x("x"), y("y");
1619     lst l;
1620     l = x, 2, y, x+y;
1621     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1622     // in that order
1623     ...
1624 @end example
1625
1626 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1627 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1628
1629 @example
1630     ...
1631     // This produces the same list 'l' as above:
1632     // lst l(x, 2, y, x+y);
1633     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1634     ...
1635 @end example
1636
1637 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1638 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1639 individual elements:
1640
1641 @example
1642     ...
1643     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1644     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1645     ...
1646 @end example
1647
1648 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1649 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1650 sequential access to the elements of a list is possible with the
1651 iterator types provided by the @code{lst} class:
1652
1653 @example
1654 typedef ... lst::const_iterator;
1655 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1656 lst::const_iterator lst::begin() const;
1657 lst::const_iterator lst::end() const;
1658 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1659 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1660 @end example
1661
1662 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1663
1664 @example
1665     ...
1666     // O(N)
1667     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1668         cout << *i << endl;
1669     ...
1670 @end example
1671
1672 which is one order faster than
1673
1674 @example
1675     ...
1676     // O(N^2)
1677     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1678         cout << l.op(i) << endl;
1679     ...
1680 @end example
1681
1682 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1683 the C++ standard library:
1684
1685 @example
1686     ...
1687     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1688     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1689
1690     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1691     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1692     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1693     ...
1694 @end example
1695
1696 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1697 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1698
1699 @example
1700     ...
1701     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1702     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1703     ...
1704 @end example
1705
1706 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1707 and @code{prepend()} methods:
1708
1709 @example
1710     ...
1711     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1712     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1713     ...
1714 @end example
1715
1716 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1717 and @code{remove_last()}:
1718
1719 @example
1720     ...
1721     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1722     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1723     ...
1724 @end example
1725
1726 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1727
1728 @example
1729     ...
1730     l.remove_all();     // l is now empty
1731     ...
1732 @end example
1733
1734 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1735
1736 @example
1737     ...
1738     lst l1, l2;
1739     l1 = x, 2, y, x+y;
1740     l2 = 2, x+y, x, y;
1741     l1.sort();
1742     l2.sort();
1743     // l1 and l2 are now equal
1744     ...
1745 @end example
1746
1747 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1748 elements with @code{unique()}:
1749
1750 @example
1751     ...
1752     lst l3;
1753     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1754     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1755 @}
1756 @end example
1757
1758
1759 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1760 @c    node-name, next, previous, up
1761 @section Mathematical functions
1762 @cindex @code{function} (class)
1763 @cindex trigonometric function
1764 @cindex hyperbolic function
1765
1766 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1767 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1768 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1769
1770 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1771 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1772 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1773 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1774 the next example, showing how a function returns itself twice and
1775 finally an expression that may be really useful:
1776
1777 @cindex Gamma function
1778 @cindex @code{subs()}
1779 @example
1780     ...
1781     symbol x("x"), y("y");    
1782     ex foo = x+y/2;
1783     cout << tgamma(foo) << endl;
1784      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1785     ex bar = foo.subs(y==1);
1786     cout << tgamma(bar) << endl;
1787      // -> tgamma(x+1/2)
1788     ex foobar = bar.subs(x==7);
1789     cout << tgamma(foobar) << endl;
1790      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1791     ...
1792 @end example
1793
1794 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1795 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1796 this.
1797
1798 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1799 functions, where the argument list is templated.  This means that
1800 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1801 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1802 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1803 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1804 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1805 point number of class @code{numeric} you should call
1806 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1807 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1808 wrapped inside an @code{ex}.
1809
1810
1811 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic Concepts
1812 @c    node-name, next, previous, up
1813 @section Relations
1814 @cindex @code{relational} (class)
1815
1816 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1817 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1818 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1819 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1820 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1821 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1822
1823 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1824 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1825 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1826 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1827 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1828 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1829 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1830 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1831 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1832 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1833 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1834 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1835 @code{expand()} must be called explicitly.
1836
1837 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic Concepts
1838 @c    node-name, next, previous, up
1839 @section Integrals
1840 @cindex @code{integral} (class)
1841
1842 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1843 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1844 1, you would write this as
1845 @example
1846 integral(x, 0, 1, x*x)
1847 @end example
1848 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1849 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1850 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1851 can be evaluated symbolically by calling the
1852 @example
1853 .eval_integ()
1854 @end example
1855 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1856 @example
1857 .evalf()
1858 @end example
1859 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1860 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1861 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1862 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1863 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1864 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1865 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1866 integrals is determined by the static member variable
1867 @example
1868 ex integral::relative_integration_error
1869 @end example
1870 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1871 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1872 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1873 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1874 variable
1875 @example
1876 int integral::max_integration_level
1877 @end example
1878 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1879 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1880 evaluation, is also available as
1881 @example
1882 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1883 const ex & error)
1884 @end example
1885 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1886 last parameter of the function is optional and defaults to the
1887 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1888 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1889 a lookup table is used.
1890
1891 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1892 integration variable, the left boundary, right boundary and integrant by
1893 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1894 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1895 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1896 with respect to the integration variable.
1897
1898 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic Concepts
1899 @c    node-name, next, previous, up
1900 @section Matrices
1901 @cindex @code{matrix} (class)
1902
1903 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1904 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1905 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1906 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1907
1908 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1909 elements. The constructor
1910
1911 @example
1912 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1913 @end example
1914
1915 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1916 set to zero.
1917
1918 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1919 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1920 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1921
1922 @example
1923 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1924 @end example
1925
1926 The function
1927
1928 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1929 @example
1930 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1931 @end example
1932
1933 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1934
1935 There is also a set of functions for creating some special types of
1936 matrices:
1937
1938 @cindex @code{diag_matrix()}
1939 @cindex @code{unit_matrix()}
1940 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1941 @example
1942 ex diag_matrix(const lst & l);
1943 ex unit_matrix(unsigned x);
1944 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1945 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1946 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name, const string & tex_base_name);
1947 @end example
1948
1949 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1950 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1951 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1952 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1953 and the position of each element in the matrix.
1954
1955 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
1956 operator:
1957
1958 @example
1959 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
1960 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
1961 @end example
1962
1963 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
1964 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
1965 @samp{[]} is not available.
1966
1967 Here are a couple of examples for constructing matrices:
1968
1969 @example
1970 @{
1971     symbol a("a"), b("b");
1972
1973     matrix M(2, 2);
1974     M = a, 0,
1975         0, b;
1976     cout << M << endl;
1977      // -> [[a,0],[0,b]]
1978
1979     matrix M2(2, 2);
1980     M2(0, 0) = a;
1981     M2(1, 1) = b;
1982     cout << M2 << endl;
1983      // -> [[a,0],[0,b]]
1984
1985     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
1986      // -> [[a,0],[0,b]]
1987
1988     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
1989      // -> [[a,0],[0,b]]
1990
1991     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
1992      // -> [[a,0],[0,b]]
1993
1994     cout << unit_matrix(3) << endl;
1995      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
1996
1997     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
1998      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
1999 @}
2000 @end example
2001
2002 @cindex @code{transpose()}
2003 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2004 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2005
2006 @example
2007 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2008 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2009 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2010 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2011 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2012 matrix matrix::transpose() const;
2013 @end example
2014
2015 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2016 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2017 and @math{C}:
2018
2019 @example
2020 @{
2021     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2022     A =  1, 2,
2023          3, 4;
2024     B = -1, 0,
2025          2, 1;
2026     C =  8, 4,
2027          2, 1;
2028
2029     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2030     cout << result << endl;
2031      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2032     ...
2033 @}
2034 @end example
2035
2036 @cindex @code{evalm()}
2037 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2038 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2039 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2040 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2041 method
2042
2043 @example
2044 ex ex::evalm() const;
2045 @end example
2046
2047 to obtain the result:
2048
2049 @example
2050 @{
2051     ...
2052     ex e = A*B - 2*C;
2053     cout << e << endl;
2054      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2055     cout << e.evalm() << endl;
2056      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2057     ...
2058 @}
2059 @end example
2060
2061 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2062 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2063 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2064 dealing with non-commutative expressions.
2065
2066 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2067 to perform the arithmetic:
2068
2069 @example
2070 @{
2071     ...
2072     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2073     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2074     cout << e << endl;
2075      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2076     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2077      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2078 @}
2079 @end example
2080
2081 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2082 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2083 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2084 more information about using matrices with indices, and about indices in
2085 general.
2086
2087 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2088 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2089
2090 @cindex @code{determinant()}
2091 @cindex @code{trace()}
2092 @cindex @code{charpoly()}
2093 @cindex @code{rank()}
2094 @example
2095 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2096 ex matrix::trace() const;
2097 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2098 unsigned matrix::rank() const;
2099 @end example
2100
2101 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2102 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2103 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2104 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2105 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2106 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2107 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2108 quickly.
2109
2110 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2111 @cindex @code{solve()}
2112 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2113 method and linear systems may be solved with:
2114
2115 @example
2116 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs, unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2117 @end example
2118
2119 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2120 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2121 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2122 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2123 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2124 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2125 overdetermined, an exception is thrown.
2126
2127
2128 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
2129 @c    node-name, next, previous, up
2130 @section Indexed objects
2131
2132 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2133 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2134 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2135 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2136
2137 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2138 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2139 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2140 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2141
2142 @cindex @code{idx} (class)
2143 @cindex @code{indexed} (class)
2144 @subsection Indexed quantities and their indices
2145
2146 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2147 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2148
2149 @itemize @bullet
2150
2151 @cindex contravariant
2152 @cindex covariant
2153 @cindex variance
2154 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2155 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2156 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2157 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2158 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2159 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2160
2161 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2162 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2163 one or more indices.
2164
2165 @end itemize
2166
2167 @strong{Note:} when printing expressions, covariant indices and indices
2168 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2169 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2170 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2171 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2172 not visible in the output.
2173
2174 A simple example shall illustrate the concepts:
2175
2176 @example
2177 #include <iostream>
2178 #include <ginac/ginac.h>
2179 using namespace std;
2180 using namespace GiNaC;
2181
2182 int main()
2183 @{
2184     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2185     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2186
2187     symbol A("A");
2188     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2189      // -> A.i.j
2190     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2191      // -> A.i[3].j[3]
2192     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2193     ...
2194 @end example
2195
2196 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2197 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2198 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2199 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2200 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2201 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2202 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2203 @code{j}.
2204
2205 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2206 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2207 as shown above.
2208
2209 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2210 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2211 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2212 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2213 correct and will raise an exception:
2214
2215 @example
2216 symbol i("i"), j("j");
2217 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2218 @end example
2219
2220 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2221 be numeric, and index dimensions symbolic:
2222
2223 @example
2224     ...
2225     symbol B("B"), dim("dim");
2226     cout << 4 * indexed(A, i)
2227           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2228      // -> B.j.2.i+4*A.i
2229     ...
2230 @end example
2231
2232 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2233 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2234 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2235 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2236 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2237
2238 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2239 arbitrary expressions:
2240
2241 @example
2242     ...
2243     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2244      // -> (B+A).(1+2*i)
2245     ...
2246 @end example
2247
2248 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2249 get an error message from this but you will probably not be able to do
2250 anything useful with it.
2251
2252 @cindex @code{get_value()}
2253 @cindex @code{get_dimension()}
2254 The methods
2255
2256 @example
2257 ex idx::get_value();
2258 ex idx::get_dimension();
2259 @end example
2260
2261 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2262 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2263 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2264 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2265
2266 There are also the methods
2267
2268 @example
2269 bool idx::is_numeric();
2270 bool idx::is_symbolic();
2271 bool idx::is_dim_numeric();
2272 bool idx::is_dim_symbolic();
2273 @end example
2274
2275 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2276 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2277 About Expressions}) returns information about the index value.
2278
2279 @cindex @code{varidx} (class)
2280 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2281
2282 @example
2283     ...
2284     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2285     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2286     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2287
2288     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2289      // -> A~mu~nu
2290     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2291      // -> A.mu~nu
2292     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2293      // -> A.mu~nu
2294     ...
2295 @end example
2296
2297 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2298 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2299 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2300 constructor. The two methods
2301
2302 @example
2303 bool varidx::is_covariant();
2304 bool varidx::is_contravariant();
2305 @end example
2306
2307 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2308 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2309 method
2310
2311 @example
2312 ex varidx::toggle_variance();
2313 @end example
2314
2315 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2316 variance. By using it you only have to define the index once.
2317
2318 @cindex @code{spinidx} (class)
2319 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2320 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2321
2322 @example
2323     ...
2324     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2325     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2326                                             // contravariant, undotted
2327     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2328     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2329     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2330
2331     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2332      // -> K~C~D
2333     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2334      // -> K.C~*D
2335     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2336      // -> K.*D~D
2337     ...
2338 @end example
2339
2340 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2341 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2342 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2343 methods
2344
2345 @example
2346 bool spinidx::is_dotted();
2347 bool spinidx::is_undotted();
2348 @end example
2349
2350 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2351 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2352 Finally, the two methods
2353
2354 @example
2355 ex spinidx::toggle_dot();
2356 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2357 @end example
2358
2359 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2360 and the same or opposite variance.
2361
2362 @subsection Substituting indices
2363
2364 @cindex @code{subs()}
2365 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2366 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2367 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2368 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
2369
2370 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2371 by another index or expression:
2372
2373 @example
2374     ...
2375     ex e = indexed(A, mu_co);
2376     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2377      // -> A.mu becomes A~nu
2378     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2379      // -> A.mu becomes A~0
2380     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2381      // -> A.mu becomes A.0
2382     ...
2383 @end example
2384
2385 The third example shows that trying to replace an index with something that
2386 is not an index will substitute the index value instead.
2387
2388 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2389 another expression:
2390
2391 @example
2392     ...
2393     ex e = indexed(A, mu_co);
2394     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2395      // -> A.mu becomes A.nu
2396     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2397      // -> A.mu becomes A.0
2398     ...
2399 @end example
2400
2401 As you see, with the second method only the value of the index will get
2402 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2403 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2404 whole index by another one with the new dimension.
2405
2406 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2407 expected:
2408
2409 @example
2410     ...
2411     ex e = indexed(A, mu_co);
2412     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2413      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2414     ...
2415 @end example
2416
2417 @subsection Symmetries
2418 @cindex @code{symmetry} (class)
2419 @cindex @code{sy_none()}
2420 @cindex @code{sy_symm()}
2421 @cindex @code{sy_anti()}
2422 @cindex @code{sy_cycl()}
2423
2424 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2425 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2426 that is constructed with the helper functions
2427
2428 @example
2429 symmetry sy_none(...);
2430 symmetry sy_symm(...);
2431 symmetry sy_anti(...);
2432 symmetry sy_cycl(...);
2433 @end example
2434
2435 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2436 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2437 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2438 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2439 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2440 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2441 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2442 all indices.
2443
2444 Here are some examples of symmetry definitions:
2445
2446 @example
2447     ...
2448     // No symmetry:
2449     e = indexed(A, i, j);
2450     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2451     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2452
2453     // Symmetric in all three indices:
2454     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2455     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2456     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2457                                                // different canonical order
2458
2459     // Symmetric in the first two indices only:
2460     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2461     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2462
2463     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2464     // be contiguous):
2465     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2466     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2467
2468     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2469     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2470     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2471     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2472
2473     // Cyclic symmetry in all three indices:
2474     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2475     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2476
2477     // The following examples are invalid constructions that will throw
2478     // an exception at run time.
2479
2480     // An index may not appear multiple times:
2481     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2482     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2483
2484     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2485     // same number of indices:
2486     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2487
2488     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2489     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2490     ...
2491 @end example
2492
2493 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2494 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2495 full symmetry in the first six indices you would write
2496 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2497
2498 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2499 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2500
2501 @example
2502     ...
2503     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2504           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2505      // -> 2*A.j.i
2506     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2507           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2508      // -> 0
2509     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2510           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2511      // -> 0
2512     ...
2513 @end example
2514
2515 @cindex @code{get_free_indices()}
2516 @cindex dummy index
2517 @subsection Dummy indices
2518
2519 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2520 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2521 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2522 dummy nor free indices.
2523
2524 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2525 class and their value must be the same single symbol (an index like
2526 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2527 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2528 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2529
2530 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2531 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2532 of a sum are consistent:
2533
2534 @example
2535 @{
2536     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2537
2538     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2539     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2540
2541     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2542     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2543      // -> (.i,.k)
2544      // 'j' and 'l' are dummy indices
2545
2546     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2547     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2548
2549     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2550       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2551     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2552      // -> (~mu,~rho)
2553      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2554
2555     e = indexed(A, mu, mu);
2556     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2557      // -> (~mu)
2558      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2559      // variance
2560
2561     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2562     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2563      // this will throw an exception:
2564      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2565 @}
2566 @end example
2567
2568 @cindex @code{simplify_indexed()}
2569 @subsection Simplifying indexed expressions
2570
2571 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2572 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2573 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2574 there is the method
2575
2576 @example
2577 ex ex::simplify_indexed();
2578 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2579 @end example
2580
2581 that performs some more expensive operations:
2582
2583 @itemize
2584 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2585   @code{get_free_indices()} does
2586 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2587   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2588 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2589   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2590   next section)
2591 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2592   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2593 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2594   of two tensors with a user-defined value
2595 @end itemize
2596
2597 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2598 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2599 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2600
2601 @example
2602 @{
2603     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2604     idx i(i_sym, 3);
2605
2606     scalar_products sp;
2607     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2608     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2609     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2610
2611     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2612     cout << e << endl;
2613      // -> (B+A).i*(A+C).i
2614
2615     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2616          << endl;
2617      // -> 4+C.i*B.i
2618 @}
2619 @end example
2620
2621 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2622 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2623 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2624 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2625 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2626 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2627 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2628 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2629
2630 @cindex @code{expand()}
2631 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2632 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2633 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2634
2635 @cindex @code{tensor} (class)
2636 @subsection Predefined tensors
2637
2638 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2639 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2640 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2641 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2642 indices are specified).
2643
2644 @cindex @code{delta_tensor()}
2645 @subsubsection Delta tensor
2646
2647 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2648 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2649 @code{delta_tensor()}:
2650
2651 @example
2652 @{
2653     symbol A("A"), B("B");
2654
2655     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2656         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2657
2658     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2659          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l) << endl;
2660     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2661      // -> B.i.j*A.i.j
2662
2663     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2664      // -> 3
2665 @}
2666 @end example
2667
2668 @cindex @code{metric_tensor()}
2669 @subsubsection General metric tensor
2670
2671 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2672 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2673 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2674 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2675
2676 @example
2677 @{
2678     symbol A("A");
2679
2680     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2681
2682     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2683     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2684      // -> A~mu~rho
2685
2686     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2687     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2688      // -> g~mu~rho
2689
2690     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2691       * metric_tensor(nu, rho);
2692     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2693      // -> delta.mu~rho
2694
2695     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2696       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2697         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2698     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2699      // -> 4+A.rho~rho
2700 @}
2701 @end example
2702
2703 @cindex @code{lorentz_g()}
2704 @subsubsection Minkowski metric tensor
2705
2706 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2707 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2708 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2709 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2710 @samp{eta}):
2711
2712 @example
2713 @{
2714     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2715
2716     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2717       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2718     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2719      // -> 1
2720
2721     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2722       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2723     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2724      // -> -1
2725 @}
2726 @end example
2727
2728 @cindex @code{spinor_metric()}
2729 @subsubsection Spinor metric tensor
2730
2731 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2732 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2733 It is output as @samp{eps}:
2734
2735 @example
2736 @{
2737     symbol psi("psi");
2738
2739     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2740     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2741
2742     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2743     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2744      // -> psi~A
2745
2746     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2747     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2748      // -> -psi~B
2749
2750     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2751     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2752      // -> -psi.A
2753
2754     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2755     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2756      // -> psi.B
2757
2758     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2759     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2760      // -> 2
2761
2762     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2763     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2764      // -> -delta.A~C
2765 @}
2766 @end example
2767
2768 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2769
2770 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2771 @cindex @code{lorentz_eps()}
2772 @subsubsection Epsilon tensor
2773
2774 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2775 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2776 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2777 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2778 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2779 @samp{eps}.
2780
2781 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2782 dimensions:
2783
2784 @example
2785 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2786 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2787 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4, bool pos_sig = false);
2788 @end example
2789
2790 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2791 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2792 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2793 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2794 tensor):
2795
2796 @example
2797 @{
2798     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2799            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2800     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2801         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2802     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2803      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2804
2805     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2806     symbol A("A"), B("B");
2807     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2808     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2809      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2810     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2811     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2812      // -> 0
2813 @}
2814 @end example
2815
2816 @subsection Linear algebra
2817
2818 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2819 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2820 and scalar products):
2821
2822 @example
2823 @{
2824     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2825     symbol x("x"), y("y");
2826
2827     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2828     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2829     A = 1, 2,
2830         3, 4;
2831     X = x, y;
2832
2833     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2834      // -> 5
2835
2836     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2837     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2838      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2839
2840     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2841     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2842      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2843 @}
2844 @end example
2845
2846 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2847 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2848 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2849
2850 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2851 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2852 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2853 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2854
2855 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2856 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2857 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2858 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2859 of the metric tensor.
2860
2861
2862 @node Non-commutative objects, Hash Maps, Indexed objects, Basic Concepts
2863 @c    node-name, next, previous, up
2864 @section Non-commutative objects
2865
2866 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2867 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2868 physics:
2869
2870 @itemize
2871 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2872 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2873 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2874 @end itemize
2875
2876 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2877 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2878 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2879 @ref{Matrices}.
2880
2881 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2882 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2883 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2884 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2885 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2886 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
2887 by their class. Consider this example:
2888
2889 @example
2890     ...
2891     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2892     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2893     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2894     cout << e << endl;
2895      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2896     ...
2897 @end example
2898
2899 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2900 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2901 together while preserving the order of factors within each class (because
2902 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
2903 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2904 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
2905 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
2906
2907 @cindex @code{ncmul} (class)
2908 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
2909 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
2910 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
2911 though.
2912
2913 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
2914 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
2915 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
2916 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
2917 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
2918 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
2919 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
2920 always commutate and it's not possible to construct non-commutative products
2921 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
2922 functions can, however, be specified as being non-commutative.
2923
2924 @cindex @code{return_type()}
2925 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2926 Information about the commutativity of an object or expression can be
2927 obtained with the two member functions
2928
2929 @example
2930 unsigned ex::return_type() const;
2931 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
2932 @end example
2933
2934 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
2935 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
2936 expressions in GiNaC:
2937
2938 @itemize
2939 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
2940   classes are of this kind.
2941 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
2942   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
2943   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
2944   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
2945   class.
2946 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
2947   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
2948   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
2949   @code{noncommutative_composite} expressions.
2950 @end itemize
2951
2952 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
2953 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
2954 value that is unique to the class of the object and usually one of the
2955 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
2956
2957 Here are a couple of examples:
2958
2959 @cartouche
2960 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
2961 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
2962 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
2963 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
2964 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2965 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2966 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
2967 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
2968 @end multitable
2969 @end cartouche
2970
2971 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
2972 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
2973 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
2974 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
2975 for color objects.
2976
2977 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
2978 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
2979 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
2980 non-commutative expressions).
2981
2982
2983 @cindex @code{clifford} (class)
2984 @subsection Clifford algebra
2985
2986 @cindex @code{dirac_gamma()}
2987 Clifford algebra elements (also called Dirac gamma matrices, although GiNaC
2988 doesn't treat them as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
2989 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where @samp{eta~mu~nu}
2990 is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are constructed by the function
2991
2992 @example
2993 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
2994 @end example
2995
2996 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2997 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
2998 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
2999 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3000 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3001 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3002
3003 @cindex @code{dirac_ONE()}
3004 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3005
3006 @example
3007 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3008 @end example
3009
3010 @strong{Note:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3011 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3012 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3013 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3014 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3015
3016 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3017 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3018 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3019 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3020
3021 @example
3022 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3023 @end example
3024
3025 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3026 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3027 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3028 objects, constructed by
3029
3030 @example
3031 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3032 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3033 @end example
3034
3035 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3036 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3037
3038 @cindex @code{dirac_slash()}
3039 Finally, the function
3040
3041 @example
3042 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3043 @end example
3044
3045 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3046 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3047 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3048 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3049
3050 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3051 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3052 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3053
3054 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3055 for example
3056
3057 @example
3058 @{
3059     ...
3060     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3061     varidx mu(symbol("mu"), D);
3062     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3063          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3064     cout << e << endl;
3065      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3066     e = e.simplify_indexed();
3067     cout << e << endl;
3068      // -> -D*a\+2*a\
3069     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3070      // -> -2*a\
3071     ...
3072 @}
3073 @end example
3074
3075 @cindex @code{dirac_trace()}
3076 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3077 you use one of the functions
3078
3079 @example
3080 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls, const ex & trONE = 4);
3081 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3082 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3083 @end example
3084
3085 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3086 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3087 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3088 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3089 element, which defaults to 4.
3090
3091 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3092 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3093 functional is not cyclic in @math{D != 4} dimensions when acting on
3094 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3095 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
3096 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
3097
3098 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3099 @math{D != 4} dimensions:
3100
3101 @example
3102 @{
3103     // 4 dimensions
3104     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3105     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3106            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3107     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3108      // -> -8*eta~rho~nu
3109 @}
3110 ...
3111 @{
3112     // D dimensions
3113     symbol D("D");
3114     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3115     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3116            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3117     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3118      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3119 @}
3120 @end example
3121
3122 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3123 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3124 QED:
3125
3126 @example
3127 @{
3128     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3129     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3130
3131     scalar_products sp;
3132     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3133     sp.add(l, q, ldotq);
3134
3135     ex e = dirac_gamma(mu) *
3136            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3137            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3138            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3139     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3140     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3141     cout << e << endl;
3142      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3143 @}
3144 @end example
3145
3146 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3147 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3148 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3149
3150 @example
3151 @{
3152     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3153     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3154     cout << e << endl;
3155      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3156
3157     e = canonicalize_clifford(e);
3158     cout << e << endl;
3159      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3160 @}
3161 @end example
3162
3163
3164 @cindex @code{color} (class)
3165 @subsection Color algebra
3166
3167 @cindex @code{color_T()}
3168 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3169 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3170 elements @math{T_a} are constructed by the function
3171
3172 @example
3173 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3174 @end example
3175
3176 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3177 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3178 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3179 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3180 not @code{varidx}.
3181
3182 @cindex @code{color_ONE()}
3183 The unity element of a color algebra is constructed by
3184
3185 @example
3186 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3187 @end example
3188
3189 @strong{Note:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3190 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3191 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3192 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3193 GiNaC may produce incorrect results.
3194
3195 @cindex @code{color_d()}
3196 @cindex @code{color_f()}
3197 The functions
3198
3199 @example
3200 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3201 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3202 @end example
3203
3204 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3205 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3206 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3207
3208 @cindex @code{color_h()}
3209 There's an additional function
3210
3211 @example
3212 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3213 @end example
3214
3215 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3216
3217 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3218 expressions containing color objects:
3219
3220 @example
3221 @{
3222     ...
3223     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3224         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3225
3226     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3227     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3228      // -> 0
3229
3230     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3231     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3232      // -> 5/3*delta.k.l
3233
3234     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3235     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3236      // -> 3*delta.k.l
3237
3238     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3239     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3240      // -> -32/3
3241
3242     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3243     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3244      // -> -2/3*T.a
3245
3246     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3247     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3248      // -> -8/9*ONE
3249
3250     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3251     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3252      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3253     ...
3254 @end example
3255
3256 @cindex @code{color_trace()}
3257 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3258 of the functions
3259
3260 @example
3261 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3262 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3263 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3264 @end example
3265
3266 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3267 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3268 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3269 example:
3270
3271 @example
3272     ...
3273     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3274     cout << e << endl;
3275      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3276 @}
3277 @end example
3278
3279
3280 @node Hash Maps, Methods and Functions, Non-commutative objects, Basic Concepts
3281 @c    node-name, next, previous, up
3282 @section Hash Maps
3283 @cindex hash maps
3284 @cindex @code{exhashmap} (class)
3285
3286 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3287 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3288 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3289 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3290
3291 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3292 following differences:
3293
3294 @itemize @bullet
3295 @item
3296 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3297 @item
3298 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3299 @item 
3300 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3301 @item
3302 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3303 @code{ex_is_less}
3304 @item
3305 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3306 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3307 larger than the specified value)
3308 @item
3309 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3310 table
3311 @item 
3312 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3313 @end itemize
3314
3315
3316 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Hash Maps, Top
3317 @c    node-name, next, previous, up
3318 @chapter Methods and Functions
3319 @cindex polynomial
3320
3321 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3322 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3323 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3324 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3325 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3326 example:
3327
3328 @example
3329     ...
3330     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3331     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3332     ...
3333 @end example
3334
3335 @cindex @code{subs()}
3336 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3337 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3338 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3339 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3340 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3341 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3342 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3343 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3344 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3345 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3346 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3347 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3348 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3349 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3350 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3351 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3352 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3353 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3354 avoided.
3355
3356 @menu
3357 * Information About Expressions::
3358 * Numerical Evaluation::
3359 * Substituting Expressions::
3360 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
3361 * Applying a Function on Subexpressions::
3362 * Visitors and Tree Traversal::
3363 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
3364 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
3365 * Symbolic Differentiation::
3366 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3367 * Symmetrization::
3368 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3369 * Multiple polylogarithms::
3370 * Complex Conjugation::
3371 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3372 * Solving Linear Systems of Equations::
3373 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
3374 @end menu
3375
3376
3377 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
3378 @c    node-name, next, previous, up
3379 @section Getting information about expressions
3380
3381 @subsection Checking expression types
3382 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3383 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3384 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3385 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3386 @cindex @code{info()}
3387 @cindex @code{return_type()}
3388 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3389
3390 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3391 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3392 GiNaC provides a couple of functions for this:
3393
3394 @example
3395 bool is_a<T>(const ex & e);
3396 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3397 bool ex::info(unsigned flag);
3398 unsigned ex::return_type() const;
3399 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3400 @end example
3401
3402 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3403 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3404 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
3405 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3406
3407 @example
3408 @{
3409     @dots{}
3410     if (is_a<numeric>(e))
3411         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3412     @dots{}
3413 @}
3414 @end example
3415
3416 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3417 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3418 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3419 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3420
3421 @example
3422 @{
3423     symbol x("x");
3424     ex e1 = 42;
3425     ex e2 = 4*x - 3;
3426     is_a<numeric>(e1);  // true
3427     is_a<numeric>(e2);  // false
3428     is_a<add>(e1);      // false
3429     is_a<add>(e2);      // true
3430     is_a<mul>(e1);      // false
3431     is_a<mul>(e2);      // false
3432 @}
3433 @end example
3434
3435 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3436 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3437 class @samp{T}, not including parent classes.
3438
3439 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3440 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3441 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3442 table:
3443
3444 @cartouche
3445 @multitable @columnfractions .30 .70
3446 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3447 @item @code{numeric}
3448 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3449 @item @code{real}
3450 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
3451 @item @code{rational}
3452 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3453 @item @code{integer}
3454 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3455 @item @code{crational}
3456 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3457 @item @code{cinteger}
3458 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3459 @item @code{positive}
3460 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3461 @item @code{negative}
3462 @tab @dots{}not complex and less than 0
3463 @item @code{nonnegative}
3464 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3465 @item @code{posint}
3466 @tab @dots{}an integer greater than 0
3467 @item @code{negint}
3468 @tab @dots{}an integer less than 0
3469 @item @code{nonnegint}
3470 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3471 @item @code{even}
3472 @tab @dots{}an even integer
3473 @item @code{odd}
3474 @tab @dots{}an odd integer
3475 @item @code{prime}
3476 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3477 @item @code{relation}
3478 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3479 @item @code{relation_equal}
3480 @tab @dots{}a @code{==} relation
3481 @item @code{relation_not_equal}
3482 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3483 @item @code{relation_less}
3484 @tab @dots{}a @code{<} relation
3485 @item @code{relation_less_or_equal}
3486 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3487 @item @code{relation_greater}
3488 @tab @dots{}a @code{>} relation
3489 @item @code{relation_greater_or_equal}
3490 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3491 @item @code{symbol}
3492 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3493 @item @code{list}
3494 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3495 @item @code{polynomial}
3496 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3497 @item @code{integer_polynomial}
3498 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3499 @item @code{cinteger_polynomial}
3500 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3501 @item @code{rational_polynomial}
3502 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3503 @item @code{crational_polynomial}
3504 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3505 @item @code{rational_function}
3506 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3507 @item @code{algebraic}
3508 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3509 @end multitable
3510 @end cartouche
3511
3512 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3513 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3514 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3515 for an explanation of these.
3516
3517
3518 @subsection Accessing subexpressions
3519 @cindex container
3520
3521 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3522 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3523 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3524 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3525
3526 @cindex @code{nops()}
3527 @cindex @code{op()}
3528 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3529 use the two methods
3530
3531 @example
3532 size_t ex::nops();
3533 ex ex::op(size_t i);
3534 @end example
3535
3536 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3537 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3538 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3539 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3540 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3541 @math{i>0} are the indices.
3542
3543 @cindex iterators
3544 @cindex @code{const_iterator}
3545 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
3546 iterator class @code{const_iterator} and the methods
3547
3548 @example
3549 const_iterator ex::begin();
3550 const_iterator ex::end();
3551 @end example
3552
3553 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
3554 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
3555 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
3556 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
3557
3558 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
3559 given expression in three different ways:
3560
3561 @example
3562 @{
3563     ex e = ...
3564
3565     // with nops()/op()
3566     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
3567         cout << e.op(i) << endl;
3568
3569     // with iterators
3570     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
3571         cout << *i << endl;
3572
3573     // with iterators and STL copy()
3574     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3575 @}
3576 @end example
3577
3578 @cindex @code{const_preorder_iterator}
3579 @cindex @code{const_postorder_iterator}
3580 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
3581 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
3582 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
3583 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
3584 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
3585 methods
3586
3587 @example
3588 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
3589 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
3590 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
3591 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
3592 @end example
3593
3594 The following example illustrates the differences between
3595 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
3596 @code{const_postorder_iterator}:
3597
3598 @example
3599 @{
3600     symbol A("A"), B("B"), C("C");
3601     ex e = lst(lst(A, B), C);
3602
3603     std::copy(e.begin(), e.end(),
3604               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3605     // @{A,B@}
3606     // C
3607
3608     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
3609               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3610     // @{@{A,B@},C@}
3611     // @{A,B@}
3612     // A
3613     // B
3614     // C
3615
3616     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
3617               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3618     // A
3619     // B
3620     // @{A,B@}
3621     // C
3622     // @{@{A,B@},C@}
3623 @}
3624 @end example
3625
3626 @cindex @code{relational} (class)
3627 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
3628 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
3629 methods
3630
3631 @example
3632 ex ex::lhs();
3633 ex ex::rhs();
3634 @end example
3635
3636
3637 @subsection Comparing expressions
3638 @cindex @code{is_equal()}
3639 @cindex @code{is_zero()}
3640
3641 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
3642 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
3643 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
3644 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
3645 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
3646 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
3647 @code{false}.
3648
3649 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
3650 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
3651 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
3652
3653 There are also two methods
3654
3655 @example
3656 bool ex::is_equal(const ex & other);
3657 bool ex::is_zero();
3658 @end example
3659
3660 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
3661 respectively.
3662
3663
3664 @subsection Ordering expressions
3665 @cindex @code{ex_is_less} (class)
3666 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
3667 @cindex @code{compare()}
3668
3669 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
3670 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
3671 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
3672 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
3673
3674 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
3675 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
3676 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
3677 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
3678 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
3679 yield @code{true}.
3680
3681 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
3682 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
3683 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
3684 predicates to the STL:
3685
3686 @example
3687 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3688 public:
3689     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3690 @};
3691
3692 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3693 public:
3694     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3695 @};
3696 @end example
3697
3698 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
3699 have to use
3700
3701 @example
3702 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
3703 @end example
3704
3705 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
3706 bugs because the map operates improperly.
3707
3708 Other examples for the use of the functors:
3709
3710 @example
3711 std::vector<ex> v;
3712 // fill vector
3713 ...
3714
3715 // sort vector
3716 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
3717
3718 // count the number of expressions equal to '1'
3719 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
3720                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
3721 @end example
3722
3723 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
3724
3725 @example
3726 int ex::compare(const ex & other) const;
3727 @end example
3728
3729 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
3730 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
3731 after @code{other}.
3732
3733
3734 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
3735 @c    node-name, next, previous, up
3736 @section Numerical Evaluation
3737 @cindex @code{evalf()}
3738
3739 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
3740 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
3741
3742 @example
3743 ex ex::evalf(int level = 0) const;
3744 @end example
3745
3746 @cindex @code{Digits}
3747 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
3748 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
3749 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
3750
3751 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
3752 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
3753
3754 @example
3755 @{
3756     // Approximate sin(x/Pi)
3757     symbol x("x");
3758     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
3759
3760     // Evaluate numerically at x=0.1
3761     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
3762
3763     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
3764     if (is_a<numeric>(f)) @{
3765         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
3766         cout << d << endl;
3767          // -> 0.0318256
3768     @} else
3769         // error
3770 @}
3771 @end example
3772
3773
3774 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
3775 @c    node-name, next, previous, up
3776 @section Substituting expressions
3777 @cindex @code{subs()}
3778
3779 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
3780 expressions via the @code{.subs()} method:
3781
3782 @example
3783 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
3784 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
3785 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
3786 @end example
3787
3788 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
3789 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
3790
3791 @example
3792 @{
3793     symbol x("x"), y("y");
3794
3795     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
3796     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
3797      // -> 73
3798
3799     ex e2 = x*y + x;
3800     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
3801      // -> -10
3802 @}
3803 @end example
3804
3805 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
3806 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
3807
3808 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
3809 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
3810 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
3811 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
3812 be substituted is large or unknown.
3813
3814 Using this form, the second example from above would look like this:
3815
3816 @example
3817 @{
3818     symbol x("x"), y("y");
3819     ex e2 = x*y + x;
3820
3821     exmap m;
3822     m[x] = -2;
3823     m[y] = 4;
3824     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
3825 @}
3826 @end example
3827
3828 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
3829 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
3830 contain the same number of elements). Using this form, you would write
3831
3832 @example
3833 @{
3834     symbol x("x"), y("y");
3835     ex e2 = x*y + x;
3836
3837     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
3838 @}
3839 @end example
3840
3841 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
3842 @code{subs_options} flags. There are two options available:
3843 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
3844 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
3845 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
3846 algebraic substitutions in products and powers.
3847 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
3848 about patterns and algebraic substitutions.
3849
3850 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
3851 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
3852 following example:
3853
3854 @example
3855 @{
3856     symbol x("x"), y("y"), z("z");
3857
3858     ex e1 = pow(x+y, 2);
3859     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
3860      // -> 16
3861
3862     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
3863     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
3864      // -> cos(x)^2*sin(y)
3865
3866     ex e3 = x+y+z;
3867     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
3868      // -> x+y+z
3869      // (and not 4+z as one might expect)
3870 @}
3871 @end example
3872
3873 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
3874 next section.
3875
3876
3877 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
3878 @c    node-name, next, previous, up
3879 @section Pattern matching and advanced substitutions
3880 @cindex @code{wildcard} (class)
3881 @cindex Pattern matching
3882
3883 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
3884 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
3885 substituting expressions in a more general way.
3886
3887 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
3888 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
3889 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
3890 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
3891 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
3892 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
3893 with the call
3894
3895 @example
3896 ex wild(unsigned label = 0);
3897 @end example
3898
3899 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
3900 name.
3901
3902 Some examples for patterns:
3903
3904 @multitable @columnfractions .5 .5
3905 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
3906 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
3907 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
3908 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
3909 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
3910 @end multitable
3911
3912 Notes:
3913
3914 @itemize
3915 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
3916   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
3917 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
3918   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
3919   always be of class @code{idx} (or a subclass).
3920 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
3921   possible to use them as placeholders for other properties like index
3922   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
3923   etc.
3924 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
3925   as part of noncommutative products.
3926 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
3927   are also valid patterns.
3928 @end itemize
3929
3930 @subsection Matching expressions
3931 @cindex @code{match()}
3932 The most basic application of patterns is to check whether an expression
3933 matches a given pattern. This is done by the function
3934
3935 @example
3936 bool ex::match(const ex & pattern);
3937 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
3938 @end example
3939
3940 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
3941 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
3942 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
3943 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
3944 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
3945 For reproducible results, the list should be empty when passed to
3946 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
3947 expressions by passing in the result of a previous match.
3948
3949 The matching algorithm works as follows:
3950
3951 @itemize
3952 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
3953   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
3954   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
3955   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
3956 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
3957   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
3958   etc.).
3959 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
3960   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
3961 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
3962   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
3963   of the pattern.
3964 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
3965   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
3966 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
3967   match the corresponding subexpression of the pattern.
3968 @end itemize
3969
3970 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
3971 account for their commutativity and associativity:
3972
3973 @itemize
3974 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
3975   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
3976   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
3977   way.
3978 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
3979   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
3980   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
3981   further matches.
3982 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
3983   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
3984   which case this wildcard matches the remaining terms.
3985 @end itemize
3986
3987 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
3988 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
3989 ambiguous results.
3990
3991 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
3992 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
3993 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
3994
3995 @example
3996 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
3997 @{@}
3998 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
3999 FAIL
4000 > match((x+y)^a,$1^$2);
4001 @{$1==x+y,$2==a@}
4002 > match((x+y)^a,$1^$1);
4003 FAIL
4004 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4005 @{$1==x+y@}
4006 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4007 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4008 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4009 @{$1==a@}
4010 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4011 @{$1==c,$2==b@}
4012   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4013 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4014   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4015    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4016    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4017    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4018    fail.)
4019 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4020   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4021    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4022 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4023 FAIL
4024 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4025 @{$0==a+e+b+f+d@}
4026 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4027 @{$0==a+b+f+d@}
4028 > match(a+b,a+b+$0);
4029 @{$0==0@}
4030 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4031 FAIL
4032   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4033    even though a==a^1.)
4034 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4035 @{$0==x@}
4036 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4037 @{$0==x^2@}
4038 @end example
4039
4040 @subsection Matching parts of expressions
4041 @cindex @code{has()}
4042 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4043 member function
4044
4045 @example
4046 bool ex::has(const ex & pattern);
4047 @end example
4048
4049 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4050 by any of its subexpressions.
4051
4052 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4053 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4054
4055 @example
4056 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4057 1
4058 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4059 0
4060   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4061    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4062 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4063 1
4064   (But this is possible.)
4065 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4066 0
4067   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4068    which "x+y" is not a subexpression.)
4069 > has(x+1,x^$1);
4070 0
4071   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4072    "x^something".)
4073 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4074 1
4075 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4076 0
4077   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4078    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4079    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4080 @end example
4081
4082 @cindex @code{find()}
4083 The method
4084
4085 @example
4086 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4087 @end example
4088
4089 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4090 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4091 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4092 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4093 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4094
4095 @example
4096 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4097 @{x@}
4098 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4099 @{@}
4100 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4101 @{x^3,x^2@}
4102   (Note the absence of "x".)
4103 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4104 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4105 > find(%,sin($1));
4106 @{sin(y),sin(x)@}
4107 @end example
4108
4109 @subsection Substituting expressions
4110 @cindex @code{subs()}
4111 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4112 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4113 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4114 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4115 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4116
4117 Some examples:
4118
4119 @example
4120 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4121 b^3+a^3+(x+y)^3
4122 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4123 b^4+a^4+(x+y)^4
4124 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4125 (a+b+c)^2
4126 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4127 (x+c)^2
4128 > subs(a+2*b,a+b==x);
4129 a+2*b
4130 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4131 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4132 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4133 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4134 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4135 cos(1+cos(x))
4136 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4137 a+b
4138 @end example
4139
4140 The last example would be written in C++ in this way:
4141
4142 @example
4143 @{
4144     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4145     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4146     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4147     cout << e.expand() << endl;
4148      // -> a+b
4149 @}
4150 @end example
4151
4152 @subsection Algebraic substitutions
4153 Supplying the @code{subs_options::algebraic} option to @code{subs()}
4154 enables smarter, algebraic substitutions in products and powers. If you want
4155 to substitute some factors of a product, you only need to list these factors
4156 in your pattern. Furthermore, if an (integer) power of some expression occurs
4157 in your pattern and in the expression that you want the substitution to occur
4158 in, it can be substituted as many times as possible, without getting negative
4159 powers.
4160
4161 An example clarifies it all (hopefully):
4162
4163 @example
4164 cout << (a*a*a*a+b*b*b*b+pow(x+y,4)).subs(wild()*wild()==pow(wild(),3),
4165                                         subs_options::algebraic) << endl;
4166 // --> (y+x)^6+b^6+a^6
4167
4168 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b==x,subs_options::algebraic) << endl;
4169 // --> (c+b+a)^2
4170 // Powers and products are smart, but addition is just the same.
4171
4172 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b+wild()==x+wild(), subs_options::algebraic)
4173                                                                       << endl;
4174 // --> (x+c)^2
4175 // As I said: addition is just the same.
4176
4177 cout << (pow(a,5)*pow(b,7)+2*b).subs(b*b*a==x,subs_options::algebraic) << endl;
4178 // --> x^3*b*a^2+2*b
4179
4180 cout << (pow(a,-5)*pow(b,-7)+2*b).subs(1/(b*b*a)==x,subs_options::algebraic)
4181                                                                        << endl;
4182 // --> 2*b+x^3*b^(-1)*a^(-2)
4183
4184 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(x==a,subs_options::algebraic) << endl;
4185 // --> -1-2*a^2+4*a^3+5*a
4186
4187 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(pow(x,wild())==pow(a,wild()),
4188                                 subs_options::algebraic) << endl;
4189 // --> -1+5*x+4*x^3-2*x^2
4190 // You should not really need this kind of patterns very often now.
4191 // But perhaps this it's-not-a-bug-it's-a-feature (c/sh)ould still change.
4192
4193 cout << ex(sin(1+sin(x))).subs(sin(wild())==cos(wild()),
4194                                 subs_options::algebraic) << endl;
4195 // --> cos(1+cos(x))
4196
4197 cout << expand((a*sin(x+y)*sin(x+y)+a*cos(x+y)*cos(x+y)+b)
4198         .subs((pow(cos(wild()),2)==1-pow(sin(wild()),2)),
4199                                 subs_options::algebraic)) << endl;
4200 // --> b+a
4201 @end example
4202
4203
4204 @node Applying a Function on Subexpressions, Visitors and Tree Traversal, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
4205 @c    node-name, next, previous, up
4206 @section Applying a Function on Subexpressions
4207 @cindex tree traversal
4208 @cindex @code{map()}
4209
4210 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4211 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4212 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4213 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4214 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4215 to do this manually which usually results in code like this:
4216
4217 @example
4218 ex calc_trace(ex e)
4219 @{
4220     if (is_a<matrix>(e))
4221         return ex_to<matrix>(e).trace();
4222     else if (is_a<add>(e)) @{
4223         ex sum = 0;
4224         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4225             sum += calc_trace(e.op(i));
4226         return sum;
4227     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4228         ...
4229     @} else @{
4230         ...
4231     @}
4232 @}
4233 @end example
4234
4235 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4236 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4237 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4238 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4239 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4240
4241 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4242 operations:
4243
4244 @example
4245 ex ex::map(map_function & f) const;
4246 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4247 @end example
4248
4249 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4250 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4251 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4252 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4253 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4254 non-recursively.
4255
4256 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4257 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4258 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4259 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4260 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4261
4262 @example
4263 struct calc_trace : public map_function @{
4264     ex operator()(const ex &e)
4265     @{
4266         if (is_a<matrix>(e))
4267             return ex_to<matrix>(e).trace();
4268         else if (is_a<mul>(e)) @{
4269             ...
4270         @} else
4271             return e.map(*this);
4272     @}
4273 @};
4274 @end example
4275
4276 This function object could then be used like this:
4277
4278 @example
4279 @{
4280     ex M = ... // expression with matrices
4281     calc_trace do_trace;
4282     ex tr = do_trace(M);
4283 @}
4284 @end example
4285
4286 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4287 terms in a variable from an expanded polynomial:
4288
4289 @example
4290 struct map_rem_quad : public map_function @{
4291     ex var;
4292     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4293
4294     ex operator()(const ex & e)
4295     @{
4296         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4297             return e.map(*this);
4298         else if (is_a<power>(e) && 
4299                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4300             return 0;
4301         else
4302             return e;
4303     @}
4304 @};
4305
4306 ...
4307
4308 @{
4309     symbol x("x"), y("y");
4310
4311     ex e;
4312     for (int i=0; i<8; i++)
4313         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4314     cout << e << endl;
4315      // -> 4*y^5*x^3+5*y^4*x^4+8*y*x^7+7*y^2*x^6+2*y^7*x+6*y^3*x^5+3*y^6*x^2+y^8
4316
4317     map_rem_quad rem_quad(x);
4318     cout << rem_quad(e) << endl;
4319      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4320 @}
4321 @end example
4322
4323 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4324 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4325 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4326 acts as the placeholder for the operands:
4327
4328 @example
4329 > map(a*b,sin($0));
4330 sin(a)*sin(b)
4331 > map(a+2*b,sin($0));
4332 sin(a)+sin(2*b)
4333 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4334 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4335 @end example
4336
4337 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4338 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4339 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4340
4341 @example
4342 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4343 @{0,0,0@}
4344   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4345   to "map(@{a,b,c@},0)".
4346 @end example
4347
4348
4349 @node Visitors and Tree Traversal, Polynomial Arithmetic, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
4350 @c    node-name, next, previous, up
4351 @section Visitors and Tree Traversal
4352 @cindex tree traversal
4353 @cindex @code{visitor} (class)
4354 @cindex @code{accept()}
4355 @cindex @code{visit()}
4356 @cindex @code{traverse()}
4357 @cindex @code{traverse_preorder()}
4358 @cindex @code{traverse_postorder()}
4359
4360 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4361 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4362 indices with variance you always want the covariant version returned.
4363
4364 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4365 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4366 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4367 with variance, one for plain ones).
4368
4369 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4370 such as the following:
4371
4372 @example
4373 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4374 @{
4375     if (is_a<varidx>(e)) @{
4376         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4377         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4378     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4379         l.append(e);
4380     @} else @{
4381         size_t n = e.nops();
4382         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4383             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4384     @}
4385 @}
4386
4387 lst gather_indices(const ex & e)
4388 @{
4389     lst l;
4390     gather_indices_helper(e, l);
4391     l.sort();
4392     l.unique();
4393     return l;
4394 @}
4395 @end example
4396
4397 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4398 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4399 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4400
4401 @example
4402     if (is_a<idx>(e)) @{
4403       ...
4404     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4405       ...
4406 @end example
4407
4408 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4409 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4410 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4411 executed.
4412
4413 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4414 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4415 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4416 write a function that required a different implementation for nearly
4417 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4418
4419 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4420 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4421 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4422 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4423 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4424 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4425 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4426 presented this would be impractical.
4427
4428 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4429 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4430 variation, described in detail in
4431 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4432 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4433 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4434 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4435 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4436 object that @code{accept()} was being invoked on.
4437
4438 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4439 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4440 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4441 each class.
4442
4443 A call of
4444
4445 @example
4446 void ex::accept(visitor & v) const;
4447 @end example
4448
4449 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4450 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4451 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4452
4453 Here is an example of a visitor:
4454
4455 @example
4456 class my_visitor
4457  : public visitor,          // this is required
4458    public add::visitor,     // visit add objects
4459    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4460    public basic::visitor    // visit basic objects
4461 @{
4462     void visit(const add & x)
4463     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4464
4465     void visit(const numeric & x)
4466     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4467
4468     void visit(const basic & x)
4469     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4470 @};
4471 @end example
4472
4473 which can be used as follows:
4474
4475 @example
4476 ...
4477     symbol x("x");
4478     ex e1 = 42;
4479     ex e2 = 4*x-3;
4480     ex e3 = 8*x;
4481
4482     my_visitor v;
4483     e1.accept(v);
4484      // prints "called with a numeric object"
4485     e2.accept(v);
4486      // prints "called with an add object"
4487     e3.accept(v);
4488      // prints "called with a basic object"
4489 ...
4490 @end example
4491
4492 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4493 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4494
4495 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4496 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4497 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4498 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4499 hierarchies of visitors.
4500
4501 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4502
4503 @example
4504 class gather_indices_visitor
4505  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4506 @{
4507     lst l;
4508
4509     void visit(const idx & i)
4510     @{
4511         l.append(i);
4512     @}
4513
4514     void visit(const varidx & vi)
4515     @{
4516         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4517     @}
4518
4519 public:
4520     const lst & get_result() // utility function
4521     @{
4522         l.sort();
4523         l.unique();
4524         return l;
4525     @}
4526 @};
4527 @end example
4528
4529 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4530 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4531
4532 @example
4533 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4534 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4535 void ex::traverse(visitor & v) const;
4536 @end example
4537
4538 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4539 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4540 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4541 @code{traverse_preorder()}.
4542
4543 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4544 and @code{traverse()}:
4545
4546 @example
4547 lst gather_indices(const ex & e)
4548 @{
4549     gather_indices_visitor v;
4550     e.traverse(v);
4551     return v.get_result();
4552 @}
4553 @end example
4554
4555 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4556 traversal:
4557
4558 @example
4559 lst gather_indices(const ex & e)
4560 @{
4561     gather_indices_visitor v;
4562     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
4563          i != e.preorder_end(); ++i) @{
4564         i->accept(v);
4565     @}
4566     return v.get_result();
4567 @}
4568 @end example
4569
4570
4571 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Visitors and Tree Traversal, Methods and Functions
4572 @c    node-name, next, previous, up
4573 @section Polynomial arithmetic
4574
4575 @subsection Expanding and collecting
4576 @cindex @code{expand()}
4577 @cindex @code{collect()}
4578 @cindex @code{collect_common_factors()}
4579
4580 A polynomial in one or more variables has many equivalent
4581 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
4582 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
4583 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
4584 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
4585 representations are the recursive ones where one collects for exponents
4586 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
4587 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
4588 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
4589 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
4590 x*z}.
4591
4592 To bring an expression into expanded form, its method
4593
4594 @example
4595 ex ex::expand(unsigned options = 0);
4596 @end example
4597
4598 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
4599 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
4600 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
4601 orderings of terms in such sums!
4602
4603 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
4604 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
4605 being polynomials in the remaining variables.  The method
4606 @code{collect()} accomplishes this task:
4607
4608 @example
4609 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
4610 @end example
4611
4612 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
4613 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
4614 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
4615 by the @code{distributed} flag.
4616
4617 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
4618 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
4619 coefficients properly.
4620
4621 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
4622 together with @code{find()}:
4623
4624 @example
4625 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
4626 d*p*sin(x)+p*sin(x)+q*d*sin(x)+q*sin(y)+d*sin(x)+q*d*sin(y)+sin(y)+d*sin(y)+q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
4627 > collect(a,@{p,q@});
4628 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
4629 > collect(a,find(a,sin($1)));
4630 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
4631 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
4632 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
4633 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
4634 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
4635 @end example
4636
4637 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
4638 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
4639
4640 @example
4641 ex collect_common_factors(const ex & e);
4642 @end example
4643
4644 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
4645 factors which are already explicitly present:
4646
4647 @example
4648 > collect_common_factors(a*x+a*y);
4649 (x+y)*a
4650 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
4651 a*(2*x*y+y^2+x^2)
4652 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
4653 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
4654 @end example
4655
4656 @subsection Degree and coefficients
4657 @cindex @code{degree()}
4658 @cindex @code{ldegree()}
4659 @cindex @code{coeff()}
4660
4661 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
4662 methods
4663
4664 @example
4665 int ex::degree(const ex & s);
4666 int ex::ldegree(const ex & s);
4667 @end example
4668
4669 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
4670 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
4671 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
4672 an expanded polynomial you use
4673
4674 @example
4675 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
4676 @end example
4677
4678 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
4679
4680 @example
4681 ex ex::lcoeff(const ex & s);
4682 ex ex::tcoeff(const ex & s);
4683 @end example
4684
4685 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
4686 respectively.
4687
4688 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
4689 polynomial is analyzed:
4690
4691 @example
4692 @{
4693     symbol x("x"), y("y");
4694     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
4695                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
4696     ex Poly = PolyInp.expand();
4697     
4698     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
4699         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
4700              << Poly.coeff(x,i) << endl;
4701     @}
4702     cout << "As polynomial in y: " 
4703          << Poly.collect(y) << endl;
4704 @}
4705 @end example
4706
4707 When run, it returns an output in the following fashion:
4708
4709 @example
4710 The x^0-coefficient is y^2+11*y
4711 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
4712 The x^2-coefficient is -1
4713 The x^3-coefficient is 4*y
4714 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
4715 @end example
4716
4717 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
4718 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
4719 within the user's sphere of influence.
4720
4721 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
4722 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
4723 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
4724 constants, functions and indexed objects as well:
4725
4726 @example
4727 @{
4728     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
4729     idx i(symbol("i"), 3);
4730
4731     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
4732     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
4733      // -> 4
4734     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
4735      // -> -4*cos(x)
4736
4737     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
4738     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
4739     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
4740      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
4741 @}
4742 @end example
4743
4744
4745 @subsection Polynomial division
4746 @cindex polynomial division
4747 @cindex quotient
4748 @cindex remainder
4749 @cindex pseudo-remainder
4750 @cindex @code{quo()}
4751 @cindex @code{rem()}
4752 @cindex @code{prem()}
4753 @cindex @code{divide()}
4754
4755 The two functions
4756
4757 @example
4758 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4759 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4760 @end example
4761
4762 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
4763 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
4764
4765 The additional function
4766
4767 @example
4768 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4769 @end example
4770
4771 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
4772 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
4773
4774 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
4775
4776 @example
4777 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
4778 @end example
4779
4780 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
4781 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
4782 in which case the value of @code{q} is undefined.
4783
4784
4785 @subsection Unit, content and primitive part
4786 @cindex @code{unit()}
4787 @cindex @code{content()}
4788 @cindex @code{primpart()}
4789 @cindex @code{unitcontprim()}
4790
4791 The methods
4792
4793 @example
4794 ex ex::unit(const ex & x);
4795 ex ex::content(const ex & x);
4796 ex ex::primpart(const ex & x);
4797 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
4798 @end example
4799
4800 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
4801 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
4802 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
4803 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
4804 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
4805 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
4806 work faster in the case where the content part has already been computed. The
4807 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
4808
4809 Additionally, the method
4810
4811 @example
4812 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
4813 @end example
4814
4815 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
4816 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
4817
4818
4819 @subsection GCD, LCM and resultant
4820 @cindex GCD
4821 @cindex LCM
4822 @cindex @code{gcd()}
4823 @cindex @code{lcm()}
4824
4825 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
4826 multiple have the synopsis
4827
4828 @example
4829 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
4830 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
4831 @end example
4832
4833 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
4834 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
4835 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
4836 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
4837 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}.
4838
4839 @example
4840 #include <ginac/ginac.h>
4841 using namespace GiNaC;
4842
4843 int main()
4844 @{
4845     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4846     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
4847     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
4848
4849     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
4850     // x + 5*y + 4*z
4851     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
4852     // 4*x*y^2 + 13*y*x*z + 20*y^3 + 81*y^2*z + 67*y*z^2 + 3*x*z^2 + 12*z^3
4853 @}
4854 @end example
4855
4856 @cindex resultant
4857 @cindex @code{resultant()}
4858
4859 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
4860 It is always computed with respect to a specific symbol within the
4861 expressions. The function has the interface
4862
4863 @example
4864 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
4865 @end example
4866
4867 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
4868 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
4869 @code{y}, respectively:
4870
4871 @example
4872 #include <ginac/ginac.h>
4873 using namespace GiNaC;
4874
4875 int main()
4876 @{
4877     symbol x("x"), y("y");
4878
4879     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
4880     ex r;
4881     
4882     r = resultant(e1, e2, x); 
4883     // -> 1+2*y^6
4884     r = resultant(e1, e2, y); 
4885     // -> 1-4*x^3+4*x^6
4886 @}
4887 @end example
4888
4889 @subsection Square-free decomposition
4890 @cindex square-free decomposition
4891 @cindex factorization
4892 @cindex @code{sqrfree()}
4893
4894 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
4895 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
4896 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
4897 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
4898 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
4899 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
4900 one, too:
4901 @example
4902 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
4903 @end example
4904 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
4905 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
4906 some care with subsequent processing of the result:
4907 @example
4908     ...
4909     symbol x("x"), y("y");
4910     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
4911
4912     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
4913      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
4914
4915     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
4916      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
4917
4918     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
4919      // -> depending on luck, any of the above
4920     ...
4921 @end example
4922 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
4923 with this method.
4924
4925
4926 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
4927 @c    node-name, next, previous, up
4928 @section Rational expressions
4929
4930 @subsection The @code{normal} method
4931 @cindex @code{normal()}
4932 @cindex simplification
4933 @cindex temporary replacement
4934
4935 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
4936 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
4937 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
4938 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
4939 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
4940 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
4941
4942 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
4943 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
4944 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
4945 functions before performing the normalization, and re-substituting these
4946 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
4947 @code{.to_rational()}, described below.
4948
4949 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
4950 simplified in this little code snippet:
4951
4952 @example
4953 @{
4954     symbol x("x");
4955     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
4956     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
4957     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
4958     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
4959 @}
4960 @end example
4961
4962 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
4963 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
4964 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
4965
4966
4967 @subsection Numerator and denominator
4968 @cindex numerator
4969 @cindex denominator
4970 @cindex @code{numer()}
4971 @cindex @code{denom()}
4972 @cindex @code{numer_denom()}
4973
4974 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
4975
4976 @example
4977 ex ex::numer();
4978 ex ex::denom();
4979 ex ex::numer_denom();
4980 @end example
4981
4982 These functions will first normalize the expression as described above and
4983 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
4984 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
4985 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
4986
4987
4988 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
4989 @cindex @code{to_polynomial()}
4990 @cindex @code{to_rational()}
4991
4992 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
4993 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
4994 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
4995 above. You do this by calling
4996
4997 @example
4998 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
4999 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5000 @end example
5001 or
5002 @example
5003 ex ex::to_rational(exmap & m);
5004 ex ex::to_rational(lst & l);
5005 @end example
5006
5007 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5008 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5009 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5010 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5011 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5012 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5013
5014 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5015 is probably best illustrated with an example:
5016
5017 @example
5018 @{
5019     symbol x("x"), y("y");
5020     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5021     cout << a << endl;
5022
5023     lst lp;
5024     ex p = a.to_polynomial(lp);
5025     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5026      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5027      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5028
5029     lst lr;
5030     ex r = a.to_rational(lr);
5031     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5032      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5033      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5034 @}
5035 @end example
5036
5037 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5038
5039 @example
5040 @{
5041     symbol x("x");
5042     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5043     ex b = sin(x) + cos(x);
5044     ex q;
5045     exmap m;
5046     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5047     cout << q.subs(m) << endl;
5048 @}
5049 @end example
5050
5051
5052 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
5053 @c    node-name, next, previous, up
5054 @section Symbolic differentiation
5055 @cindex differentiation
5056 @cindex @code{diff()}
5057 @cindex chain rule
5058 @cindex product rule
5059
5060 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5061 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5062 the derivatives of all the monomials:
5063
5064 @example
5065 @{
5066     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5067     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5068
5069     cout << P.diff(x,2) << endl;
5070      // -> 20*x^3 + 2
5071     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5072      // -> 1
5073     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5074      // -> 0
5075 @}
5076 @end example
5077
5078 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5079 returns the @var{n}th derivative.
5080
5081 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5082 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5083 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5084 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5085 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5086 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5087 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5088 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5089 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5090 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5091 lines:
5092
5093 @cindex Euler numbers
5094 @example
5095 #include <ginac/ginac.h>
5096 using namespace GiNaC;
5097
5098 ex EulerNumber(unsigned n)
5099 @{
5100     symbol x;
5101     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5102     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5103 @}
5104
5105 int main()
5106 @{
5107     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5108         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5109     return 0;
5110 @}
5111 @end example
5112
5113 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5114 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5115 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5116
5117
5118 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
5119 @c    node-name, next, previous, up
5120 @section Series expansion
5121 @cindex @code{series()}
5122 @cindex Taylor expansion
5123 @cindex Laurent expansion
5124 @cindex @code{pseries} (class)
5125 @cindex @code{Order()}
5126
5127 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5128 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5129 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5130 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5131 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5132 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5133 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5134 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5135 term).  A sample application from special relativity could read:
5136
5137 @example
5138 #include <ginac/ginac.h>
5139 using namespace std;
5140 using namespace GiNaC;
5141
5142 int main()
5143 @{
5144     symbol v("v"), c("c");
5145     
5146     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5147     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5148     
5149     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5150          << mass_nonrel << endl;
5151     
5152     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5153          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5154 @}
5155 @end example
5156
5157 Only calling the series method makes the last output simplify to
5158 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5159 series raised to the power @math{-2}.
5160
5161 @cindex Machin's formula
5162 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5163 value of Archimedes' constant
5164 @tex
5165 $\pi$
5166 @end tex
5167 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5168 using John Machin's amazing formula
5169 @tex
5170 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5171 @end tex
5172 @ifnottex
5173 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5174 @end ifnottex
5175 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5176 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5177 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5178 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5179 order term with it and the question arises what the system is supposed
5180 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5181 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5182 term off:
5183
5184 @example
5185 #include <ginac/ginac.h>
5186 using namespace GiNaC;
5187
5188 ex machin_pi(int degr)
5189 @{
5190     symbol x;
5191     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5192     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5193                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5194     return pi_approx;
5195 @}
5196
5197 int main()
5198 @{
5199     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5200     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5201     ex pi_frac;
5202     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5203         pi_frac = machin_pi(i);
5204         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5205              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5206     @}
5207     return 0;
5208 @}
5209 @end example
5210
5211 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5212 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5213 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5214 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5215 program, it will type out:
5216
5217 @example
5218 2:      3804/1195
5219         3.1832635983263598326
5220 4:      5359397032/1706489875
5221         3.1405970293260603143
5222 6:      38279241713339684/12184551018734375
5223         3.141621029325034425
5224 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5225         3.141591772182177295
5226 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5227         3.1415926824043995174
5228 @end example
5229
5230
5231 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
5232 @c    node-name, next, previous, up
5233 @section Symmetrization
5234 @cindex @code{symmetrize()}
5235 @cindex @code{antisymmetrize()}
5236 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5237
5238 The three methods
5239
5240 @example
5241 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5242 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5243 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5244 @end example
5245
5246 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5247 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5248 weighted by the number of permutations.
5249
5250 The three additional methods
5251
5252 @example
5253 ex ex::symmetrize();
5254 ex ex::antisymmetrize();
5255 ex ex::symmetrize_cyclic();
5256 @end example
5257
5258 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5259
5260 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5261 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5262
5263 @example
5264 @{
5265     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5266     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5267                                            
5268     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5269      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5270     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5271      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5272     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5273      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5274 @}
5275 @end example
5276
5277 @node Built-in Functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and Functions
5278 @c    node-name, next, previous, up
5279 @section Predefined mathematical functions
5280 @c
5281 @subsection Overview
5282
5283 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5284
5285 @cartouche
5286 @multitable @columnfractions .30 .70
5287 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5288 @item @code{abs(x)}
5289 @tab absolute value
5290 @cindex @code{abs()}
5291 @item @code{csgn(x)}
5292 @tab complex sign
5293 @cindex @code{conjugate()}
5294 @item @code{conjugate(x)}
5295 @tab complex conjugation
5296 @cindex @code{csgn()}
5297 @item @code{sqrt(x)}
5298 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5299 @cindex @code{sqrt()}
5300 @item @code{sin(x)}
5301 @tab sine
5302 @cindex @code{sin()}
5303 @item @code{cos(x)}
5304 @tab cosine
5305 @cindex @code{cos()}
5306 @item @code{tan(x)}
5307 @tab tangent
5308 @cindex @code{tan()}
5309 @item @code{asin(x)}
5310 @tab inverse sine
5311 @cindex @code{asin()}
5312 @item @code{acos(x)}
5313 @tab inverse cosine
5314 @cindex @code{acos()}
5315 @item @code{atan(x)}
5316 @tab inverse tangent
5317 @cindex @code{atan()}
5318 @item @code{atan2(y, x)}
5319 @tab inverse tangent with two arguments
5320 @item @code{sinh(x)}
5321 @tab hyperbolic sine
5322 @cindex @code{sinh()}
5323 @item @code{cosh(x)}
5324 @tab hyperbolic cosine
5325 @cindex @code{cosh()}
5326 @item @code{tanh(x)}
5327 @tab hyperbolic tangent
5328 @cindex @code{tanh()}
5329 @item @code{asinh(x)}
5330 @tab inverse hyperbolic sine
5331 @cindex @code{asinh()}
5332 @item @code{acosh(x)}
5333 @tab inverse hyperbolic cosine
5334 @cindex @code{acosh()}
5335 @item @code{atanh(x)}
5336 @tab inverse hyperbolic tangent
5337 @cindex @code{atanh()}
5338 @item @code{exp(x)}
5339 @tab exponential function
5340 @cindex @code{exp()}
5341 @item @code{log(x)}
5342 @tab natural logarithm
5343 @cindex @code{log()}
5344 @item @code{Li2(x)}
5345 @tab dilogarithm
5346 @cindex @code{Li2()}
5347 @item @code{Li(m, x)}
5348 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5349 @cindex @code{Li()}
5350 @item @code{S(n, p, x)}
5351 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5352 @cindex @code{S()}
5353 @item @code{H(m, x)}
5354 @tab harmonic polylogarithm
5355 @cindex @code{H()}
5356 @item @code{zeta(m)}
5357 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5358 @cindex @code{zeta()}
5359 @item @code{zeta(m, s)}
5360 @tab alternating Euler sum
5361 @cindex @code{zeta()}
5362 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5363 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5364 @item @code{tgamma(x)}
5365 @tab gamma function
5366 @cindex @code{tgamma()}
5367 @cindex gamma function
5368 @item @code{lgamma(x)}
5369 @tab logarithm of gamma function
5370 @cindex @code{lgamma()}
5371 @item @code{beta(x, y)}
5372 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5373 @cindex @code{beta()}
5374 @item @code{psi(x)}
5375 @tab psi (digamma) function
5376 @cindex @code{psi()}
5377 @item @code{psi(n, x)}
5378 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5379 @item @code{factorial(n)}
5380 @tab factorial function @math{n!}
5381 @cindex @code{factorial()}
5382 @item @code{binomial(n, k)}
5383 @tab binomial coefficients
5384 @cindex @code{binomial()}
5385 @item @code{Order(x)}
5386 @tab order term function in truncated power series
5387 @cindex @code{Order()}
5388 @end multitable
5389 @end cartouche
5390
5391 @cindex branch cut
5392 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5393 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5394 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5395 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5396 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5397 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5398 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5399 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5400 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5401 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5402 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5403 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5404 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5405 compatible with C99.
5406
5407 @node Multiple polylogarithms, Complex Conjugation, Built-in Functions, Methods and Functions
5408 @c    node-name, next, previous, up
5409 @subsection Multiple polylogarithms
5410
5411 @cindex polylogarithm
5412 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5413 @cindex harmonic polylogarithm
5414 @cindex multiple zeta value
5415 @cindex alternating Euler sum
5416 @cindex multiple polylogarithm
5417
5418 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5419 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5420 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5421 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5422 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5423 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5424
5425 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5426 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5427 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}.
5428
5429 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5430 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5431 for the argument @code{x} as well.
5432 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5433 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5434 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5435 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5436 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5437
5438 The functions print in LaTeX format as
5439 @tex
5440 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5441 @end tex
5442 @tex
5443 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5444 @end tex
5445 @tex
5446 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5447 @end tex
5448 @tex
5449 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5450 @end tex
5451 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5452 are printed with a line above, e.g.
5453 @tex
5454 $\zeta(5,\overline{2})$.
5455 @end tex
5456 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5457
5458 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5459 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5460 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5461 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5462
5463 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5464 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5465 the series representation. This means
5466 @tex
5467 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5468 @end tex
5469 @tex
5470 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5471 @end tex
5472 @tex
5473 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5474 @end tex
5475 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
5476 is reversed.
5477
5478 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5479 @code{s} in @code{zeta} and @code{m} in @code{H}. Since @code{s} will be interpreted as the sequence
5480 of signs for the corresponding indices @code{m}, it must contain 1 or -1, e.g.
5481 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5482 @tex
5483 $\zeta(\overline{3},4)$.
5484 @end tex
5485 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5486 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5487 e.g. @code{lst(0,0,-1,0,1,0,0)}, @code{lst(0,0,-1,2,0,0)} and @code{lst(-3,2,0,0)} are equivalent as
5488 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5489 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5490 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5491 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5492
5493 @example
5494 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5495 S(2,2,x)
5496 > H(@{-3,2@},1);
5497 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5498 > S(3,1,1);
5499 1/90*Pi^4
5500 @end example
5501
5502 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5503 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5504 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5505 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5506 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
5507 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
5508
5509 @example
5510 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
5511 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
5512 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
5513 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
5514 @end example
5515
5516 Every function apart from the multiple polylogarithm @code{Li} can be numerically evaluated for
5517 arbitrary real or complex arguments. @code{Li} only evaluates if for all arguments
5518 @tex
5519 $x_i$ the condition
5520 @end tex
5521 @tex
5522 $x_1x_2\cdots x_i < 1$ holds.
5523 @end tex
5524
5525 @example
5526 > Digits=100;
5527 100
5528 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5529 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5530 @end example
5531
5532 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5533 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5534
5535 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
5536 unevaluated, e.g.
5537 @tex
5538 $\zeta(1)$.
5539 @end tex
5540 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
5541 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
5542 cancellations of divergencies happen.
5543
5544 Useful publications:
5545
5546 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
5547 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
5548
5549 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
5550 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
5551
5552 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
5553 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
5554
5555 @node Complex Conjugation, Solving Linear Systems of Equations, Multiple polylogarithms, Methods and Functions
5556 @c    node-name, next, previous, up
5557 @section Complex Conjugation
5558 @c
5559 @cindex @code{conjugate()}
5560
5561 The method
5562
5563 @example
5564 ex ex::conjugate();
5565 @end example
5566
5567 returns the complex conjugate of the expression. For all built-in functions and objects the
5568 conjugation gives the expected results:
5569
5570 @example
5571 @{
5572     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
5573     symbol x("x");
5574     realsymbol y("y");
5575                                            
5576     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
5577      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
5578     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
5579      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
5580 @}
5581 @end example
5582
5583 For symbols in the complex domain the conjugation can not be evaluated and the GiNaC function
5584 @code{conjugate} is returned. GiNaC functions conjugate by applying the conjugation to their
5585 arguments. This is the default strategy. If you want to define your own functions and want to
5586 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method for your function
5587 (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an example).
5588
5589 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Complex Conjugation, Methods and Functions
5590 @c    node-name, next, previous, up
5591 @section Solving Linear Systems of Equations
5592 @cindex @code{lsolve()}
5593
5594 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
5595 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
5596 needs to be solved:
5597
5598 @example
5599 ex lsolve(const ex &eqns, const ex &symbols, unsigned options=solve_algo::automatic);
5600 @end example
5601
5602 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
5603 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
5604 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
5605 @code{lst}).
5606
5607 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
5608 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
5609
5610 @example
5611 @{
5612     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
5613     lst eqns, vars;
5614     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
5615     vars = x, y;
5616     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
5617      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
5618 @end example
5619
5620 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
5621 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
5622 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
5623 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
5624 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
5625 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
5626 around that method.
5627
5628
5629 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
5630 @c    node-name, next, previous, up
5631 @section Input and output of expressions
5632 @cindex I/O
5633
5634 @subsection Expression output
5635 @cindex printing
5636 @cindex output of expressions
5637
5638 Expressions can simply be written to any stream:
5639
5640 @example
5641 @{
5642     symbol x("x");
5643     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
5644     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
5645     // ...
5646 @end example
5647
5648 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
5649 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
5650 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
5651 is printed as @samp{x^2}).
5652
5653 It is possible to print expressions in a number of different formats with
5654 a set of stream manipulators;
5655
5656 @example
5657 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
5658 std::ostream & latex(std::ostream & os);
5659 std::ostream & tree(std::ostream & os);
5660 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
5661 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
5662 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
5663 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
5664 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
5665 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
5666 @end example
5667
5668 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
5669 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
5670 @code{print_csrc()} functions, respectively.
5671
5672 @cindex @code{dflt}
5673 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
5674 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
5675
5676 @example
5677     // ...
5678     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from now on
5679     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
5680     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
5681     cout << dflt;             // revert to default output format
5682     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
5683     // ...
5684 @end example
5685
5686 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
5687 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
5688
5689 @example
5690     // ...
5691     ostringstream s;
5692     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
5693     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
5694     // ...
5695 @end example
5696
5697 @cindex @code{csrc}
5698 @cindex @code{csrc_float}
5699 @cindex @code{csrc_double}
5700 @cindex @code{csrc_cl_N}
5701 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
5702 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
5703 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
5704 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
5705 classes provided by the CLN library):
5706
5707 @example
5708     // ...
5709     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
5710     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
5711     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
5712     // ...
5713 @end example
5714
5715 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
5716 @code{x*x}):
5717
5718 @example
5719 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
5720 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
5721 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
5722 @end example
5723
5724 @cindex @code{tree}
5725 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
5726 expression for debugging purposes:
5727
5728 @example
5729     // ...
5730     cout << tree << e;
5731 @}
5732 @end example
5733
5734 produces
5735
5736 @example
5737 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
5738     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
5739         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
5740         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
5741     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
5742     -----
5743     overall_coeff
5744     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
5745     =====
5746 @end example
5747
5748 @cindex @code{latex}
5749 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
5750 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
5751 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
5752 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
5753 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
5754 constructor.
5755
5756 For example, the code snippet
5757
5758 @example
5759 @{
5760     symbol x("x", "\\circ");
5761     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
5762     cout << latex << e << endl;
5763 @}
5764 @end example
5765
5766 will print
5767
5768 @example
5769     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}+\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
5770 @end example
5771
5772 @cindex @code{index_dimensions}
5773 @cindex @code{no_index_dimensions}
5774 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
5775 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
5776 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
5777 formats:
5778
5779 @example
5780 @{
5781     symbol x("x"), y("y");
5782     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
5783     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
5784
5785     cout << e << endl;
5786      // prints 'x~mu*y~nu'
5787     cout << index_dimensions << e << endl;
5788      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
5789     cout << no_index_dimensions << e << endl;
5790      // prints 'x~mu*y~nu'
5791 @}
5792 @end example
5793
5794
5795 @cindex Tree traversal
5796 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
5797 with other algebra systems or for producing code for different
5798 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
5799
5800 @example
5801 static void my_print(const ex & e)
5802 @{
5803     if (is_a<function>(e))
5804         cout << ex_to<function>(e).get_name();
5805     else
5806         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
5807     cout << "(";
5808     size_t n = e.nops();
5809     if (n)
5810         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
5811             my_print(e.op(i));
5812             if (i != n-1)
5813                 cout << ",";
5814         @}
5815     else
5816         cout << e;
5817     cout << ")";
5818 @}
5819
5820 int main()
5821 @{
5822     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
5823     return 0;
5824 @}
5825 @end example
5826
5827 This will produce
5828
5829 @example
5830 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
5831 symbol(y))),numeric(-2)))
5832 @end example
5833
5834 If you need an output format that makes it possible to accurately
5835 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
5836 object factory, you should consider storing the expression in an
5837 @code{archive} object and reading the object properties from there.
5838 See the section on archiving for more information.
5839
5840
5841 @subsection Expression input
5842 @cindex input of expressions
5843
5844 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
5845 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
5846 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
5847 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
5848 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
5849
5850 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
5851 list of symbols to be used:
5852
5853 @example
5854 @{
5855     symbol x("x"), y("y");
5856     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
5857 @}
5858 @end example
5859
5860 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
5861 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
5862 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
5863 the list it will throw an exception.
5864
5865 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
5866
5867 @example
5868 #include <iostream>
5869 #include <string>
5870 #include <stdexcept>
5871 #include <ginac/ginac.h>
5872 using namespace std;
5873 using namespace GiNaC;
5874
5875 int main()
5876 @{
5877     symbol x("x");
5878     string s;
5879
5880     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
5881     getline(cin, s);
5882
5883     try @{
5884         ex e(s, lst(x));
5885         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
5886         cout << e.diff(x) << ".\n";
5887     @} catch (exception &p) @{
5888         cerr << p.what() << endl;
5889     @}
5890 @}
5891 @end example
5892
5893
5894 @subsection Archiving
5895 @cindex @code{archive} (class)
5896 @cindex archiving
5897
5898 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
5899 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
5900 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
5901 expression a unique name:
5902
5903 @example
5904 #include <fstream>
5905 using namespace std;
5906 #include <ginac/ginac.h>
5907 using namespace GiNaC;
5908
5909 int main()
5910 @{
5911     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5912
5913     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
5914     ex bar = foo + 1;
5915
5916     archive a;
5917     a.archive_ex(foo, "foo");
5918     a.archive_ex(bar, "the second one");
5919     // ...
5920 @end example
5921
5922 The archive can then be written to a file:
5923
5924 @example
5925     // ...
5926     ofstream out("foobar.gar");
5927     out << a;
5928     out.close();
5929     // ...
5930 @end example
5931
5932 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
5933 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
5934
5935 @cindex @command{viewgar}
5936 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
5937 the contents of GiNaC archive files:
5938
5939 @example
5940 $ viewgar foobar.gar
5941 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
5942 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
5943 @end example
5944
5945 The point of writing archive files is of course that they can later be
5946 read in again:
5947
5948 @example
5949     // ...
5950     archive a2;
5951     ifstream in("foobar.gar");
5952     in >> a2;
5953     // ...
5954 @end example
5955
5956 And the stored expressions can be retrieved by their name:
5957
5958 @example
5959     // ...
5960     lst syms;
5961     syms = x, y;
5962
5963     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
5964     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
5965
5966     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
5967     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
5968     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
5969 @}
5970 @end example
5971
5972 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
5973 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
5974 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
5975 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
5976 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
5977 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
5978 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
5979 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
5980
5981 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
5982 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
5983 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
5984 functions that let you access the stored properties:
5985
5986 @example
5987 static void my_print2(const archive_node & n)
5988 @{
5989     string class_name;
5990     n.find_string("class", class_name);
5991     cout << class_name << "(";
5992
5993     archive_node::propinfovector p;
5994     n.get_properties(p);
5995
5996     size_t num = p.size();
5997     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
5998         const string &name = p[i].name;
5999         if (name == "class")
6000             continue;
6001         cout << name << "=";
6002
6003         unsigned count = p[i].count;
6004         if (count > 1)
6005             cout << "@{";
6006
6007         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6008             switch (p[i].type) @{
6009                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6010                     bool x;
6011                     n.find_bool(name, x, j);
6012                     cout << (x ? "true" : "false");
6013                     break;
6014                 @}
6015                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6016                     unsigned x;
6017                     n.find_unsigned(name, x, j);
6018                     cout << x;
6019                     break;
6020                 @}
6021                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6022                     string x;
6023                     n.find_string(name, x, j);
6024                     cout << '\"' << x << '\"';
6025                     break;
6026                 @}
6027                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6028                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6029                     my_print2(x);
6030                     break;
6031                 @}
6032             @}
6033
6034             if (j != count-1)
6035                 cout << ",";
6036         @}
6037
6038         if (count > 1)
6039             cout << "@}";
6040
6041         if (i != num-1)
6042             cout << ",";
6043     @}
6044
6045     cout << ")";
6046 @}
6047
6048 int main()
6049 @{
6050     ex e = pow(2, x) - y;
6051     archive ar(e, "e");
6052     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6053     return 0;
6054 @}
6055 @end example
6056
6057 This will produce:
6058
6059 @example
6060 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6061 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6062 overall_coeff=numeric(number="0"))
6063 @end example
6064
6065 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6066 class may change between GiNaC versions.
6067
6068
6069 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
6070 @c    node-name, next, previous, up
6071 @chapter Extending GiNaC
6072
6073 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6074 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6075 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6076 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6077 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6078 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6079
6080 @menu
6081 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6082 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6083 * Printing::                         Adding new output formats.
6084 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6085 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6086 @end menu
6087
6088
6089 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6090 @c    node-name, next, previous, up
6091 @section What doesn't belong into GiNaC
6092
6093 @cindex @command{ginsh}
6094 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6095 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6096 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6097 language.  There are no loops or conditional expressions in
6098 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6099 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6100 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6101 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6102 the future.
6103
6104 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6105 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6106 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6107 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6108 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6109 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6110 provided by CLN are much better suited.
6111
6112
6113 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6114 @c    node-name, next, previous, up
6115 @section Symbolic functions
6116
6117 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6118 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6119 two preprocessor macros:
6120
6121 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6122 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6123 @example
6124 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6125 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6126 @end example
6127
6128 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6129 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6130 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6131 @code{function} object that represents your function.
6132
6133 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6134 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6135 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6136 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6137 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6138 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6139 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6140 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6141
6142 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6143 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6144 done our best to avoid macros where we can.)
6145
6146 @subsection A minimal example
6147
6148 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6149 that is not further evaluated:
6150
6151 @example
6152 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6153
6154 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6155 @end example
6156
6157 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6158 in algebraic expressions:
6159
6160 @example
6161 @{
6162     ...
6163     symbol x("x");
6164     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6165     cout << e << endl;
6166      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6167     ...
6168 @}
6169 @end example
6170
6171 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6172 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6173 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6174 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6175
6176 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6177 example of how to make an "intelligent" function.
6178
6179 @subsection The cosine function
6180
6181 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6182
6183 @example
6184 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6185 @end example
6186
6187 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6188 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6189 this function in expressions.
6190
6191 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6192 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6193
6194 @example
6195 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6196                        evalf_func(cos_evalf).
6197                        derivative_func(cos_deriv).
6198                        latex_name("\\cos"));
6199 @end example
6200
6201 There are four options defined for the cosine function. One of them
6202 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6203 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6204 function are defined.
6205
6206 @cindex @code{hold()}
6207 @cindex evaluation
6208 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6209 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6210 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6211 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6212 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6213 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6214 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6215 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6216 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6217 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6218 somewhere.
6219
6220 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6221 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6222 what is going on):
6223
6224 @example
6225 static ex cos_eval(const ex & x)
6226 @{
6227     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6228         return 1;
6229     else if ("x is a multiple of Pi")
6230         return -1;
6231     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6232         return 0;
6233     // more rules...
6234
6235     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6236         return y;
6237     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6238         return sqrt(1-y^2);
6239     // more rules...
6240
6241     else
6242         return cos(x).hold();
6243 @}
6244 @end example
6245
6246 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6247
6248 @example
6249 @{
6250     ...
6251     e = cos(Pi);
6252      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6253      // the actual expression
6254     cout << e << endl;
6255      // prints '-1'
6256     ...
6257 @}
6258 @end example
6259
6260 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6261 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6262 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6263 with @code{.hold()}.
6264
6265 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6266 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6267 different function:
6268
6269 @example
6270 static ex cos_evalf(const ex & x)
6271 @{
6272     if (is_a<numeric>(x))
6273         return cos(ex_to<numeric>(x));
6274     else
6275         return cos(x).hold();
6276 @}
6277 @end example
6278
6279 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6280 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6281 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6282 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6283 function would require it in this place.
6284
6285 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6286 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6287 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6288 @code{ex::diff}):
6289
6290 @example
6291 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6292 @{
6293     return -sin(x);
6294 @}
6295 @end example
6296
6297 @cindex product rule
6298 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6299 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6300 case the function has more than one parameter, and its main application
6301 is for correct handling of the chain rule.
6302
6303 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6304 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6305 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6306 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6307
6308 @example
6309 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6310                      int order, unsigned options)
6311 @{
6312     // Find the actual expansion point
6313     const ex x_pt = x.subs(rel);
6314
6315     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6316         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6317
6318     // On a pole, expand sin()/cos()
6319     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6320 @}
6321 @end example
6322
6323 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6324 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6325
6326 @subsection Function options
6327
6328 GiNaC functions understand several more options which are always
6329 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6330 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6331 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6332 functions without any special options.
6333
6334 @example
6335 eval_func(<C++ function>)
6336 evalf_func(<C++ function>)
6337 derivative_func(<C++ function>)
6338 series_func(<C++ function>)
6339 conjugate_func(<C++ function>)
6340 @end example
6341
6342 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6343 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6344 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6345 @code{diff()} and @code{series()}.
6346
6347 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6348 automatic evaluation is desired or possible.
6349
6350 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6351 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6352 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6353 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6354 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6355 suitable transformation.
6356
6357 @example
6358 latex_name(const string & n)
6359 @end example
6360
6361 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6362 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6363
6364 @example
6365 do_not_evalf_params()
6366 @end example
6367
6368 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
6369 function before calling the @code{evalf_func()}.
6370
6371 @example
6372 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
6373 @end example
6374
6375 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
6376 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
6377 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
6378 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
6379 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
6380 commutation properties of their first argument.
6381
6382 @example
6383 set_symmetry(const symmetry & s)
6384 @end example
6385
6386 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
6387 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
6388 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
6389 symmetric functions into a canonical order.
6390
6391 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
6392 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
6393 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
6394 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
6395 with the
6396
6397 @example
6398 print_func<C>(<C++ function>)
6399 @end example
6400
6401 option which is explained in the next section.
6402
6403 @subsection Functions with a variable number of arguments
6404
6405 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
6406 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
6407 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
6408 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
6409 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
6410
6411 It is also possible to define functions that accept a different number of
6412 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
6413 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
6414 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
6415 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
6416 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
6417 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
6418 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
6419 @file{inifcns_gamma.cpp}).
6420
6421
6422 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
6423 @c    node-name, next, previous, up
6424 @section GiNaC's expression output system
6425
6426 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
6427 (@pxref{Input/Output}). This section will explain how expression output
6428 is implemented internally, and how to define your own output formats or
6429 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
6430 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
6431 functions.
6432
6433 @cindex @code{print_context} (class)
6434 @cindex @code{print_dflt} (class)
6435 @cindex @code{print_latex} (class)
6436 @cindex @code{print_tree} (class)
6437 @cindex @code{print_csrc} (class)
6438 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
6439 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
6440 header file:
6441
6442 @table @code
6443 @item print_dflt
6444 the default output format
6445 @item print_latex
6446 output in LaTeX mathematical mode
6447 @item print_tree
6448 a dump of the internal expression structure (for debugging)
6449 @item print_csrc
6450 the base class for C source output
6451 @item print_csrc_float
6452 C source output using the @code{float} type
6453 @item print_csrc_double
6454 C source output using the @code{double} type
6455 @item print_csrc_cl_N
6456 C source output using CLN types
6457 @end table
6458
6459 The @code{print_context} base class provides two public data members:
6460
6461 @example
6462 class print_context
6463 @{
6464     ...
6465 public:
6466     std::ostream & s;
6467     unsigned options;
6468 @};
6469 @end example
6470
6471 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
6472 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
6473 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
6474 to print the index dimension which is normally hidden.
6475
6476 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
6477 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
6478 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
6479 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
6480
6481 @cindex @code{print()}
6482 @example
6483 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
6484 @end example
6485
6486 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
6487 top-level algebraic object contained in the expression.
6488
6489 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
6490 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
6491 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
6492 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
6493 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
6494 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
6495 (single) virtual function dispatch.
6496
6497 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
6498 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
6499 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
6500 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
6501 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
6502 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
6503 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
6504 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
6505 object's class name enclosed in square brackets).
6506
6507 You can think of the print methods of all the different classes and output
6508 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
6509 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
6510 classes.
6511
6512 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
6513 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
6514 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
6515 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
6516 methods at run-time).
6517
6518 @subsection Print methods for classes
6519
6520 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
6521 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
6522 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
6523 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
6524 can also be used to override existing methods dynamically.
6525
6526 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
6527 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
6528 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
6529 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
6530 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
6531 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
6532 the class is the one being implemented by
6533 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
6534
6535 For print methods that are member functions, their first argument must be of
6536 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
6537 @code{unsigned}.
6538
6539 For static members and global functions, the first argument must be of a type
6540 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
6541 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
6542 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
6543 private and protected members of @code{T}.
6544
6545 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
6546 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
6547 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
6548 purposes if you write your own output formats.
6549
6550 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
6551 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
6552 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
6553 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
6554
6555 @example
6556 void my_print_power_as_latex(const power & p,
6557                              const print_latex & c,
6558                              unsigned level)
6559 @{
6560     // get the precedence of the 'power' class
6561     unsigned power_prec = p.precedence();
6562
6563     // if the parent operator has the same or a higher precedence
6564     // we need parentheses around the power
6565     if (level >= power_prec)
6566         c.s << '(';
6567
6568     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
6569     // separated by an uparrow
6570     c.s << '@{';
6571     p.op(0).print(c, power_prec);
6572     c.s << "@}\\uparrow@{";
6573     p.op(1).print(c, power_prec);
6574     c.s << '@}';
6575
6576     // don't forget the closing parenthesis
6577     if (level >= power_prec)
6578         c.s << ')';
6579 @}
6580                                                                                 
6581 int main()
6582 @{
6583     // a sample expression
6584     symbol x("x"), y("y");
6585     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
6586
6587     // switch to LaTeX mode
6588     cout << latex;
6589
6590     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
6591     cout << e << endl;
6592
6593     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
6594     // our own one
6595     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
6596
6597     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}\uparrow@{2@}@}"
6598     cout << e << endl;
6599 @}
6600 @end example
6601
6602 Some notes:
6603
6604 @itemize
6605
6606 @item
6607 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
6608 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
6609
6610 @item
6611 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
6612 @code{power} objects for the purpose of printing.
6613
6614 @item
6615 The output of products including negative powers as fractions is also
6616 controlled by the @code{mul} class.
6617
6618 @item
6619 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
6620 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
6621
6622 @end itemize
6623
6624 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
6625 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
6626 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
6627 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
6628 sources, find the method that is installed at startup
6629 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
6630 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
6631
6632 @subsection Print methods for functions
6633
6634 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
6635 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
6636 function options. If you don't specify any special print methods, the function
6637 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
6638 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
6639
6640 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
6641
6642 @example
6643 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
6644 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
6645                                                                                 
6646 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
6647 @{
6648     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
6649 @}
6650                                                                                 
6651 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
6652 @{
6653     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
6654 @}
6655                                                                                 
6656 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
6657                        evalf_func(abs_evalf).
6658                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
6659                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
6660                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
6661 @end example
6662
6663 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
6664 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
6665
6666 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
6667
6668 @subsection Adding new output formats
6669
6670 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
6671 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
6672 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
6673 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
6674 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
6675 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
6676 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
6677 options value.
6678
6679 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
6680
6681 @example
6682 class print_myformat : public print_dflt
6683 @{
6684     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
6685 public:
6686     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
6687      : print_dflt(os, opt) @{@}
6688 @};
6689
6690 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
6691
6692 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
6693 @end example
6694
6695 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
6696 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
6697 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
6698 format are implemented as print methods, as described above.
6699
6700 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
6701 exactly like GiNaC's default output format:
6702
6703 @example
6704 @{
6705     symbol x("x");
6706     ex e = pow(x, 2) + 1;
6707
6708     // this prints "1+x^2"
6709     cout << e << endl;
6710     
6711     // this also prints "1+x^2"
6712     e.print(print_myformat()); cout << endl;
6713
6714     ...
6715 @}
6716 @end example
6717
6718 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
6719 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
6720
6721 @example
6722 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
6723 // example above for explanations.
6724 void print_power_as_myformat(const power & p,
6725                              const print_myformat & c,
6726                              unsigned level)
6727 @{
6728     unsigned power_prec = p.precedence();
6729     if (level >= power_prec)
6730         c.s << '(';
6731     p.op(0).print(c, power_prec);
6732     c.s << "**";
6733     p.op(1).print(c, power_prec);
6734     if (level >= power_prec)
6735         c.s << ')';
6736 @}
6737
6738 @{
6739     ...
6740     // install a new print method for power objects
6741     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
6742
6743     // now this prints "1+x**2"
6744     e.print(print_myformat()); cout << endl;
6745
6746     // but the default format is still "1+x^2"
6747     cout << e << endl;
6748 @}
6749 @end example
6750
6751
6752 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
6753 @c    node-name, next, previous, up
6754 @section Structures
6755
6756 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
6757 need some more organized way to store data in your expressions instead of
6758 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
6759 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
6760 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
6761
6762 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
6763 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
6764 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
6765 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
6766 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
6767 read both sections because many common concepts and member functions are
6768 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
6769 is most suited to your needs.
6770
6771 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
6772 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
6773 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
6774
6775 @subsection Example: scalar products
6776
6777 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
6778 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
6779 product class have to store their left and right operands, which can in turn
6780 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
6781 product in a C++ @code{struct}:
6782
6783 @example
6784 #include <iostream>
6785 using namespace std;
6786
6787 #include <ginac/ginac.h>
6788 using namespace GiNaC;
6789
6790 struct sprod_s @{
6791     ex left, right;
6792
6793     sprod_s() @{@}
6794     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
6795 @};
6796 @end example
6797
6798 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
6799 data structure, we need only one line:
6800
6801 @example
6802 typedef structure<sprod_s> sprod;
6803 @end example
6804
6805 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
6806 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
6807 expressions like any other GiNaC class:
6808
6809 @example
6810 ...
6811     symbol a("a"), b("b");
6812     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
6813 ...
6814 @end example
6815
6816 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
6817 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
6818 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
6819 constructed from an @code{sprod_s} object.
6820
6821 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
6822 you could define a little wrapper function like this:
6823
6824 @example
6825 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
6826 @{
6827     return sprod(sprod_s(left, right));
6828 @}
6829 @end example
6830
6831 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
6832 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
6833 @code{get_struct()}:
6834
6835 @example
6836 ...
6837     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
6838      // -> a
6839     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
6840      // -> b
6841 ...
6842 @end example
6843
6844 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
6845
6846 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
6847 that deal with scalar products, for example:
6848
6849 @example
6850 ex swap_sprod(ex p)
6851 @{
6852     if (is_a<sprod>(p)) @{
6853         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
6854         return make_sprod(sp.right, sp.left);
6855     @} else
6856         return p;
6857 @}
6858
6859 ...
6860     f = swap_sprod(e);
6861      // f is now <b|a>
6862 ...
6863 @end example
6864
6865 @subsection Structure output
6866
6867 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
6868 desired, most notably proper output:
6869
6870 @example
6871 ...
6872     cout << e << endl;
6873      // -> [structure object]
6874 ...
6875 @end example
6876
6877 By default, any structure types you define will be printed as
6878 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
6879 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
6880 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
6881 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
6882 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
6883 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
6884
6885 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
6886 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
6887
6888 @example
6889 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
6890 @{
6891     // tree debug output handled by superclass
6892     if (is_a<print_tree>(c))
6893         inherited::print(c, level);
6894
6895     // get the contained sprod_s object
6896     const sprod_s & sp = get_struct();
6897
6898     // print_context::s is a reference to an ostream
6899     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
6900 @}
6901 @end example
6902
6903 Now we can print expressions containing scalar products:
6904
6905 @example
6906 ...
6907     cout << e << endl;
6908      // -> <a|b>
6909     cout << swap_sprod(e) << endl;
6910      // -> <b|a>
6911 ...
6912 @end example
6913
6914 @subsection Comparing structures
6915
6916 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
6917 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
6918 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
6919 and undesired behavior:
6920
6921 @example
6922 ...
6923     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6924      // -> 0
6925     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6926      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
6927 ...
6928 @end example
6929
6930 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
6931 for objects of type @code{sprod_s}:
6932
6933 @example
6934 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
6935 @{
6936     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
6937 @}
6938
6939 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
6940 @{
6941     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0 ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
6942 @}
6943 @end example
6944
6945 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
6946 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
6947 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
6948 in the implementation of these operators because they would construct
6949 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
6950 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
6951 decide which one is algebraically 'less').
6952
6953 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
6954 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
6955
6956 @example
6957 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
6958 @end example
6959
6960 @code{sprod} objects then behave as expected:
6961
6962 @example
6963 ...
6964     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6965      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
6966     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6967      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
6968     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
6969      // -> 0
6970     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
6971      // -> 2*<a|b>
6972 ...
6973 @end example
6974
6975 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
6976 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
6977 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
6978 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
6979 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
6980 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
6981
6982 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
6983 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
6984 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
6985 This should be used with extreme care because it only works reliably with
6986 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
6987 undefined value) that the @code{T} class might have.
6988
6989 @subsection Subexpressions
6990
6991 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
6992 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
6993 @code{nops()} and @code{op()} methods:
6994
6995 @example
6996 size_t sprod::nops() const
6997 @{
6998     return 2;
6999 @}
7000
7001 ex sprod::op(size_t i) const
7002 @{
7003     switch (i) @{
7004     case 0:
7005         return get_struct().left;
7006     case 1:
7007         return get_struct().right;
7008     default:
7009         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7010     @}
7011 @}
7012 @end example
7013
7014 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7015 @code{sprod} has two other nice side effects:
7016
7017 @itemize @bullet
7018 @item
7019 @code{has()} works as expected
7020 @item
7021 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7022 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7023 @end itemize
7024
7025 @cindex @code{let_op()}
7026 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7027 allows replacing subexpressions:
7028
7029 @example
7030 ex & sprod::let_op(size_t i)
7031 @{
7032     // every non-const member function must call this
7033     ensure_if_modifiable();
7034
7035     switch (i) @{
7036     case 0:
7037         return get_struct().left;
7038     case 1:
7039         return get_struct().right;
7040     default:
7041         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7042     @}
7043 @}
7044 @end example
7045
7046 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7047 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7048 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7049 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7050
7051 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7052 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7053 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7054 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7055 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7056 This is left as an exercise for the reader.
7057
7058 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7059 you can override by specialization to customize the behavior of your
7060 structures. You are referred to the next section for a description of
7061 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7062 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7063 @code{structure<T>} template: archiving.
7064
7065 @subsection Archiving structures
7066
7067 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7068 should first read the next section and then come back here. You're back?
7069 Good.
7070
7071 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7072 specializations for the @code{archive()} member function and the
7073 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7074 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7075 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7076 the class of an object is stored as a string, the class name.
7077
7078 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7079 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7080 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7081 need to provide a different name for each by specializing the
7082 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7083 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7084
7085 @example
7086 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7087
7088 void sprod::archive(archive_node & n) const
7089 @{
7090     inherited::archive(n);
7091     n.add_ex("left", get_struct().left);
7092     n.add_ex("right", get_struct().right);
7093 @}
7094
7095 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7096 @{
7097     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7098     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7099 @}
7100 @end example
7101
7102 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7103 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7104 @code{sprod::unarchive()} function.
7105
7106
7107 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
7108 @c    node-name, next, previous, up
7109 @section Adding classes
7110
7111 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7112 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7113 severe of which being that you can't add any new member functions to
7114 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7115 from scratch.
7116
7117 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7118 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7119 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7120 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7121 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7122 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7123 representing tensor products is more involved but this section should give
7124 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7125 classes if you want to implement something more complicated.
7126
7127 @subsection GiNaC's run-time type information system
7128
7129 @cindex hierarchy of classes
7130 @cindex RTTI
7131 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7132 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7133 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7134 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7135 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7136 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7137 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7138 system that provides this kind of information is called a run-time type
7139 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7140 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7141 implements its own, simpler RTTI.
7142
7143 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7144
7145 @itemize @bullet
7146
7147 @item
7148 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7149 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
7150 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
7151 classes. They all start with @code{TINFO_}.
7152
7153 @item
7154 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7155 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7156 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7157 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7158 @file{registrar.h} header file.
7159
7160 @end itemize
7161
7162 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7163 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7164 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7165 macros.
7166
7167 @subsection A minimalistic example
7168
7169 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7170 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7171 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7172 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7173 for your own classes.
7174
7175 The code snippets given here assume that you have included some header files
7176 as follows:
7177
7178 @example
7179 #include <iostream>
7180 #include <string>   
7181 #include <stdexcept>
7182 using namespace std;
7183
7184 #include <ginac/ginac.h>
7185 using namespace GiNaC;
7186 @end example
7187
7188 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
7189 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
7190 by one of the existing classes but it's better to come up with something
7191 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
7192 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
7193 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
7194
7195 @example
7196 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
7197 @end example
7198
7199 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7200 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7201 object from a C or C++ string:
7202
7203 @example
7204 class mystring : public basic
7205 @{
7206     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7207   
7208 public:
7209     mystring(const string &s);
7210     mystring(const char *s);
7211
7212 private:
7213     string str;
7214 @};
7215
7216 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7217 @end example
7218
7219 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7220 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7221 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7222 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7223 the first line after the opening brace of the class definition. The
7224 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7225 source (at global scope, of course, not inside a function).
7226
7227 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7228 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7229 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7230 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7231 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7232 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7233 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7234 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7235
7236 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7237 class:
7238
7239 @itemize
7240
7241 @item
7242 @code{mystring()}, the default constructor.
7243
7244 @item
7245 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
7246 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7247 @code{archive_node}.
7248
7249 @item
7250 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
7251 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7252 found in an @code{archive_node}.
7253
7254 @item
7255 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
7256 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7257 constructor.
7258
7259 @item
7260 @cindex @code{compare_same_type()}
7261 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
7262 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7263 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7264 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7265 @strong{Note:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7266 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7267 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7268 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7269 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7270 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7271 defined.
7272
7273 @item
7274 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
7275 which are the two constructors we declared.
7276
7277 @end itemize
7278
7279 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7280
7281 @example
7282 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
7283 @end example
7284
7285 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7286 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
7287 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7288 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7289 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7290 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7291 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7292 to the right value manually.
7293
7294 In the default constructor you should set all other member variables to
7295 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7296 member gets set to an empty string automatically).
7297
7298 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7299 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7300 is really simple.  First, the archiving function:
7301
7302 @example
7303 void mystring::archive(archive_node &n) const
7304 @{
7305     inherited::archive(n);
7306     n.add_string("string", str);
7307 @}
7308 @end example
7309
7310 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7311 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7312 deem necessary for representing the object into the passed
7313 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7314 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7315 file.
7316
7317 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7318 function:
7319
7320 @example
7321 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7322 @{
7323     n.find_string("string", str);
7324 @}
7325 @end example
7326
7327 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7328 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7329 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7330 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7331
7332 Finally, the unarchiving function:
7333
7334 @example
7335 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
7336 @{
7337     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7338 @}
7339 @end example
7340
7341 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7342 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7343 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7344 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7345 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7346 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7347 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7348 automatically once it is no longer referenced.
7349
7350 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7351 the string members:
7352
7353 @example
7354 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
7355 @{
7356     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7357     int cmpval = str.compare(o.str);
7358     if (cmpval == 0)
7359         return 0;
7360     else if (cmpval < 0)
7361         return -1;
7362     else
7363         return 1;
7364 @}
7365 @end example
7366
7367 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7368 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7369 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7370 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7371 all relevant member variables.
7372
7373 Now the only thing missing is our two new constructors:
7374
7375 @example
7376 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7377 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7378 @end example
7379
7380 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
7381 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
7382
7383 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
7384 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
7385
7386 @example
7387 ex e = mystring("Hello, world!");
7388 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
7389  // -> 1 (true)
7390
7391 cout << e.bp->class_name() << endl;
7392  // -> mystring
7393 @end example
7394
7395 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
7396
7397 @example
7398 cout << e << endl;
7399  // -> [mystring object]
7400 @end example
7401
7402 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
7403 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
7404 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
7405 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
7406 surrounded by double quotes:
7407
7408 @example
7409 class mystring : public basic
7410 @{
7411     ...
7412 protected:
7413     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
7414     ...
7415 @};
7416
7417 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
7418 @{
7419     // print_context::s is a reference to an ostream
7420     c.s << '\"' << str << '\"';
7421 @}
7422 @end example
7423
7424 The @code{level} argument is only required for container classes to
7425 correctly parenthesize the output.
7426
7427 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
7428 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
7429 replace the line
7430
7431 @example
7432 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7433 @end example
7434
7435 with
7436
7437 @example
7438 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
7439   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
7440 @end example
7441
7442 Let's try again to print the expression:
7443
7444 @example
7445 cout << e << endl;
7446  // -> "Hello, world!"
7447 @end example
7448
7449 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
7450 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
7451 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
7452 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
7453 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
7454 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
7455 way expression output is implemented in GiNaC.
7456
7457 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
7458
7459 @example
7460 e += mystring("GiNaC rulez"); 
7461 cout << e << endl;
7462  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
7463 @end example
7464
7465 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
7466
7467 @example
7468 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
7469 cout << e << endl;
7470  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
7471 @end example
7472
7473 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
7474 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
7475 for your objects.
7476
7477 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
7478
7479 @example
7480 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
7481 cout << e << endl;
7482  // -> "Wow"^2
7483
7484 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
7485 cout << e.expand() << endl;
7486  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
7487 @end example
7488
7489 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
7490 concatenation. You would have to implement this yourself.
7491
7492 @subsection Automatic evaluation
7493
7494 @cindex evaluation
7495 @cindex @code{eval()}
7496 @cindex @code{hold()}
7497 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
7498 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
7499 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
7500 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
7501 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
7502 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
7503
7504 @example
7505 class mystring : public basic
7506 @{
7507     ...
7508 public:
7509     ex eval(int level = 0) const;
7510     ...
7511 @};
7512
7513 ex mystring::eval(int level) const
7514 @{
7515     string new_str;
7516     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
7517         char c = str[i];
7518         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
7519             new_str += tolower(c);
7520         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
7521             new_str += c;
7522     @}
7523
7524     if (new_str.length() == 0)
7525         return 0;
7526     else
7527         return mystring(new_str).hold();
7528 @}
7529 @end example
7530
7531 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
7532 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
7533 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
7534 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
7535 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
7536 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
7537 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
7538 unmodified, use @code{return this->hold();}.
7539
7540 Let's confirm that it works:
7541
7542 @example
7543 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
7544 cout << e << endl;
7545  // -> "helloworld"
7546
7547 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
7548 cout << e << endl;
7549  // -> 3*"wow"
7550 @end example
7551
7552 @subsection Optional member functions
7553
7554 We have implemented only a small set of member functions to make the class
7555 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
7556 required but will make operations with objects of the class more efficient:
7557
7558 @cindex @code{calchash()}
7559 @cindex @code{is_equal_same_type()}
7560 @example
7561 unsigned calchash() const;
7562 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
7563 @end example
7564
7565 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
7566 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
7567 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
7568 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
7569 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
7570 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
7571
7572 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
7573 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
7574 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
7575 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
7576
7577 @subsection Other member functions
7578
7579 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
7580 might want to provide:
7581
7582 @example
7583 bool info(unsigned inf) const;
7584 ex evalf(int level = 0) const;
7585 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
7586 ex derivative(const symbol & s) const;
7587 @end example
7588
7589 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
7590 previous section) you will probably want to override
7591
7592 @cindex @code{let_op()}
7593 @example
7594 size_t nops() cont;
7595 ex op(size_t i) const;
7596 ex & let_op(size_t i);
7597 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
7598 ex map(map_function & f) const;
7599 @end example
7600
7601 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
7602 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
7603 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
7604
7605 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
7606 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
7607 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
7608 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
7609 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
7610 should become a need.
7611
7612 That's it. May the source be with you!
7613
7614
7615 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
7616 @c    node-name, next, previous, up
7617 @chapter A Comparison With Other CAS
7618 @cindex advocacy
7619
7620 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
7621 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
7622 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
7623 disadvantages over these systems.
7624
7625 @menu
7626 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
7627 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
7628 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
7629 @end menu
7630
7631 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
7632 @c    node-name, next, previous, up
7633 @section Advantages
7634
7635 GiNaC has several advantages over traditional Computer
7636 Algebra Systems, like 
7637
7638 @itemize @bullet
7639
7640 @item
7641 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
7642 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
7643 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
7644 in common C++, which is standardized.
7645
7646 @cindex STL
7647 @item
7648 structured data types: you can build up structured data types using
7649 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
7650 using unnamed lists of lists of lists.
7651
7652 @item
7653 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
7654 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
7655 nice for novice programmers, but dangerous.
7656     
7657 @item
7658 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
7659 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
7660 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
7661
7662 @item
7663 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
7664 separating interface and implementation.
7665
7666 @item
7667 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
7668 that it is free and available with source code.  And there are excellent
7669 C++-compilers for free, too.
7670     
7671 @item
7672 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
7673 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
7674 usually only extend on a high level by writing in the language defined
7675 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
7676 fix bugs in a traditional system.
7677
7678 @item
7679 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
7680 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
7681 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
7682 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
7683 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
7684 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
7685 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
7686 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
7687 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
7688 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
7689 FTP-site.
7690
7691 @item
7692 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
7693 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
7694 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
7695 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
7696 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
7697 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
7698 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
7699 system (i.e. @emph{Yacas}).
7700
7701 @item
7702 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
7703 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
7704 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
7705 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
7706 speed with other CAS.
7707
7708 @end itemize
7709
7710
7711 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
7712 @c    node-name, next, previous, up
7713 @section Disadvantages
7714
7715 Of course it also has some disadvantages:
7716
7717 @itemize @bullet
7718
7719 @item
7720 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
7721 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
7722 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
7723 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
7724 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
7725 not planned for the near future).
7726
7727 @item
7728 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
7729 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
7730 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
7731 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
7732 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
7733 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
7734 macros to let the compiler gather all static initializations, which
7735 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
7736 really believe that you need to use a different compiler.  We have
7737 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
7738 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
7739 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
7740 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
7741 yet ANSI compliant, support all needed features.
7742     
7743 @end itemize
7744
7745
7746 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
7747 @c    node-name, next, previous, up
7748 @section Why C++?
7749
7750 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
7751 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
7752 possible), separation between interface and implementation is not
7753 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
7754 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
7755 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
7756 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
7757 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
7758 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
7759 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
7760 any other programming language.
7761
7762
7763 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
7764 @c    node-name, next, previous, up
7765 @appendix Internal Structures
7766
7767 @menu
7768 * Expressions are reference counted::
7769 * Internal representation of products and sums::
7770 @end menu
7771
7772 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
7773 @c    node-name, next, previous, up
7774 @appendixsection Expressions are reference counted
7775
7776 @cindex reference counting
7777 @cindex copy-on-write
7778 @cindex garbage collection
7779 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
7780 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
7781 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
7782 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
7783 skip the rest of this passage.
7784
7785 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
7786 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
7787 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
7788 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
7789 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
7790 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
7791 of code:
7792
7793 @example
7794 #include <iostream>
7795 #include <ginac/ginac.h>
7796 using namespace std;
7797 using namespace GiNaC;
7798
7799 int main()
7800 @{
7801     symbol x("x"), y("y"), z("z");
7802     ex e1, e2;
7803
7804     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
7805     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
7806     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
7807     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
7808     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
7809 @}
7810 @end example
7811
7812 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
7813 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
7814 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
7815 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
7816 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
7817 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
7818 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
7819 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
7820 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
7821 the object it points to too and deletes the object from memory if that
7822 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
7823 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
7824 can be:
7825
7826 @example
7827 @{
7828     symbol x("x"), y("y");
7829
7830     ex e1 = x + 3*y;
7831     ex e2 = pow(e1, 3);
7832     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
7833     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
7834          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
7835          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
7836 @}
7837 @end example
7838
7839 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
7840 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
7841 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
7842 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
7843 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
7844 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
7845 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
7846 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
7847 @code{3*e1^2}.
7848
7849 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
7850 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
7851 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
7852 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
7853 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
7854 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
7855 semantics, we recommend you have a look at the
7856 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
7857 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
7858 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
7859
7860
7861 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
7862 @c    node-name, next, previous, up
7863 @appendixsection Internal representation of products and sums
7864
7865 @cindex representation
7866 @cindex @code{add}
7867 @cindex @code{mul}
7868 @cindex @code{power}
7869 Although it should be completely transparent for the user of
7870 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
7871 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
7872 unexpanded symbolic expression 
7873 @tex
7874 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
7875 @end tex
7876 @ifnottex
7877 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
7878 @end ifnottex
7879 which could naively be represented by a tree of linear containers for
7880 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
7881 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
7882 fashion:
7883
7884 @image{repnaive}
7885
7886 @cindex pair-wise representation
7887 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
7888 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
7889 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
7890 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
7891 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
7892 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
7893 becomes much more flat:
7894
7895 @image{reppair}
7896
7897 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
7898 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
7899 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
7900 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
7901 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
7902 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
7903 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
7904 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
7905 representation, however, since they are still carrying a trivial
7906 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
7907 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
7908 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
7909 representation for
7910 @tex
7911 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
7912 @end tex
7913 @ifnottex
7914 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
7915 @end ifnottex
7916
7917 @image{repreal}
7918
7919 @cindex radical
7920 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
7921 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
7922 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
7923 same abstract class: the data representation is the same, only the
7924 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
7925 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
7926 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
7927
7928
7929 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
7930 @c    node-name, next, previous, up
7931 @appendix Package Tools
7932
7933 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
7934 setting the correct command line options for the compiler and linker
7935 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
7936
7937 @menu
7938 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
7939 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
7940 @end menu
7941
7942
7943 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
7944 @c    node-name, next, previous, up
7945 @section @command{ginac-config}
7946 @cindex ginac-config
7947
7948 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
7949 the compiler and linker command line options required to compile and
7950 link a program with the GiNaC library.
7951
7952 @command{ginac-config} takes the following flags:
7953
7954 @table @samp
7955 @item --version
7956 Prints out the version of GiNaC installed.
7957 @item --cppflags
7958 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
7959 @item --libs
7960 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
7961 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
7962 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
7963 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
7964 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
7965 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
7966 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
7967 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
7968 @end table
7969
7970 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
7971 script, as described below. It, however, can also be used directly from
7972 the command line using backquotes to compile a simple program. For
7973 example:
7974
7975 @example
7976 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
7977 @end example
7978
7979 This command line might expand to (for example):
7980
7981 @example
7982 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
7983   -lginac -lcln -lstdc++
7984 @end example
7985
7986 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
7987 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
7988
7989
7990 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
7991 @c    node-name, next, previous, up
7992 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
7993 @cindex AM_PATH_GINAC
7994
7995 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
7996 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
7997
7998 @example
7999 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND} [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
8000 @end example
8001
8002 This macro:
8003
8004 @itemize @bullet
8005
8006 @item
8007 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
8008 either found in the user's path, or from the environment variable
8009 @env{GINACLIB_CONFIG}.
8010
8011 @item
8012 Tests the installed libraries to make sure that their version
8013 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
8014 if not specified)
8015
8016 @item
8017 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
8018 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
8019 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
8020 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8021 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8022
8023 @item
8024 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
8025 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8026
8027 @end itemize
8028
8029 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
8030 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
8031 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
8032 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
8033 aclocal the @samp{-I} option when running it.
8034
8035 @menu
8036 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
8037 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
8038 @end menu
8039
8040
8041 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
8042 @c    node-name, next, previous, up
8043 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
8044
8045 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
8046 the configure script.
8047
8048 Notes:
8049
8050 @itemize @bullet
8051
8052 @item
8053 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8054 to be found by your system's dynamic linker.
8055   
8056 This is generally done by
8057
8058 @display
8059 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
8060 @end display
8061
8062 or by
8063    
8064 @display
8065 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
8066 @end display
8067
8068 or, as a last resort, 
8069  
8070 @display
8071 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
8072 running configure, for instance:
8073
8074 @example
8075 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
8076 @end example
8077 @end display
8078
8079 @item
8080 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
8081 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
8082 name of the executable
8083
8084 @item
8085 If you move the GiNaC package from its installed location,
8086 you will either need to modify @command{ginac-config} script
8087 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
8088
8089 @end itemize
8090
8091 Advanced note:
8092
8093 @itemize @bullet
8094 @item
8095 configure flags
8096   
8097 @example
8098 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
8099 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
8100 @end example
8101
8102 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
8103 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
8104 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
8105 @end itemize
8106
8107
8108 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
8109 @c    node-name, next, previous, up
8110 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
8111
8112 The following shows how to build a simple package using automake
8113 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8114
8115 @example
8116 #include <iostream>
8117 #include <ginac/ginac.h>
8118
8119 int main()
8120 @{
8121     GiNaC::symbol x("x");
8122     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8123     std::cout << "Derivative of " << a 
8124               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8125     return 0;
8126 @}
8127 @end example
8128
8129 You should first read the introductory portions of the automake
8130 Manual, if you are not already familiar with it.
8131
8132 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
8133 configure script:
8134
8135 @example
8136 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
8137 AC_INIT(simple.cpp)
8138 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
8139
8140 AC_PROG_CXX
8141 AC_PROG_INSTALL
8142 AC_LANG_CPLUSPLUS
8143
8144 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
8145   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
8146   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
8147 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
8148
8149 AC_OUTPUT(Makefile)
8150 @end example
8151
8152 The only command in this which is not standard for automake
8153 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
8154
8155 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
8156 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
8157 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
8158 the error message `need to have GiNaC installed'
8159
8160 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8161
8162 @example
8163 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8164 bin_PROGRAMS = simple
8165 simple_SOURCES = simple.cpp
8166 @end example
8167
8168 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8169 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8170 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
8171 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
8172 want to specify them on a per-program basis: for instance by
8173 adding the lines:
8174
8175 @example
8176 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
8177 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
8178 @end example
8179
8180 to the @file{Makefile.am}.
8181
8182 To try this example out, create a new directory and add the three
8183 files above to it.
8184
8185 Now execute the following commands:
8186
8187 @example
8188 $ automake --add-missing
8189 $ aclocal
8190 $ autoconf
8191 @end example
8192
8193 You now have a package that can be built in the normal fashion
8194
8195 @example
8196 $ ./configure
8197 $ make
8198 $ make install
8199 @end example
8200
8201
8202 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
8203 @c    node-name, next, previous, up
8204 @appendix Bibliography
8205
8206 @itemize @minus{}
8207
8208 @item
8209 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8210
8211 @item
8212 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8213
8214 @item
8215 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8216
8217 @item
8218 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8219
8220 @item
8221 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8222 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8223
8224 @item
8225 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8226 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8227 Academic Press, London
8228
8229 @item
8230 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8231 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8232
8233 @item
8234 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8235 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8236
8237 @item
8238 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8239 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8240
8241 @item
8242 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8243
8244 @end itemize
8245
8246
8247 @node Concept Index, , Bibliography, Top
8248 @c    node-name, next, previous, up
8249 @unnumbered Concept Index
8250
8251 @printindex cp
8252
8253 @bye